JP4151992B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、半導体集積回路装置およびその製造技術に関し、特に、DRAM(Dynamic Random Access Memory)あるいは電気的書き換え可能な不揮発性メモリの高集積化および高性能化、またはロジック回路とDRAMあるいは電気的書き換え可能な不揮発性メモリとが混載された高集積半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。
背景技術
大容量メモリを代表する半導体メモリとしてDRAMがある。このDRAMのメモリ容量は益々増大する傾向にあり、それに伴ってDRAMのメモリセルの集積度を向上させる観点からメモリセルの専有面積も縮小せざるを得ない方向に進んでいる。
しかし、DRAMのメモリセルにおける情報蓄積用容量素子(キャパシタ)の蓄積容量値は、DRAMの動作マージンやソフトエラー等を考慮する観点等から世代によらず一定量が必要であり、一般に比例縮小できないことが知られている。
そこで、限られた小さな占有面積内に必要な蓄積容量を確保できるようなキャパシタ構造の開発が進められており、その構造として、ポリシリコン等からなる2層の電極を容量絶縁膜を介して積み重ねてなる、いわゆるスタックトキャパシタ等のような立体的なキャパシタ構造が採用されている。
スタックトキャパシタは、キャパシタ電極をメモリセルの選択MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)の上層に配置する構造が一般的であり、この場合、小さな占有面積で大きな蓄積容量を確保できるとともに、必要とする蓄積容量が小さくて済むという特徴がある。
このようなスタックトキャパシタ構造として、たとえばキャパシタをビット線の上方に配置する、いわゆるキャパシタ・オーバー・ビットライン(Capacitor Over Bitline;以下、COBと略す)構造と、キャパシタをビット線の下方に配置するキャパシタ・アンダー・ビットライン(Capacitor Under Bitline;以下、CUBと略す)構造とがある。
これらのCOB、CUB構造のDRAMにおいて、そのキャパシタ用接続孔内の導体膜またはビット線がワード線と短絡しないようにその接続孔を形成する必要があるために、互いに隣接するワード線の間隔を、接続孔の位置合わせずれ等を考慮して、ある程度広くしなければならず、素子集積度の向上やチップサイズの縮小を阻害する。したがって、高集積化を実現するためには、高度な合わせ技術や工程管理が必要となっている。
そこで、このような問題を回避すべく、ワード線の上面および側壁を、窒化膜等のような層間絶縁膜とは異種の絶縁材料で被覆することにより、キャパシタ用接続孔およびビット線接続孔をエッチング処理によってワード線に対して自己整合的に形成する技術がある。
この技術の場合、キャパシタ用接続孔およびビット線接続孔をエッチング処理によって穿孔する場合に、その接続孔が平面的にはワード線にかかるようであってもワード線の周りの窒化膜がエッチングストッパとして機能するので、その接続孔からワード線が露出してしまうこともなく、接続孔を形成することができる。
なお、キャパシタ用接続孔およびビット線接続孔をワード線に対して自己整合的に形成する技術については、特開平9−55479号公報に記載がある。
ところで、本発明者は、上記したキャパシタ用接続孔またはビット線接続孔をワード線に対して自己整合的に形成する技術について検討した。以下は公知とされた技術ではないが、本発明者によって検討された技術であり、その概要は次のとおりである。
前述のDRAMは、以下のプロセスフローによって形成される。
まず、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して、導体層を形成する。その導体層上に第1窒化膜を堆積する。第1窒化膜と導体膜とを同一マスクでパターニングすることにより、メモリセル選択用MISFETのゲート電極と周辺回路用MISFETのゲート電極を形成する。ここで、メモリセルアレイの行方向に配置された複数のメモリセルのゲート電極は、一体に形成され、DRAMのワード線として機能する。次に、メモリセル選択用MISFETのゲート電極と周辺回路用MISFETのゲート電極に対して自己整合的にメモリセル選択用MISFET及び周辺回路用MISFETの低濃度半導体領域を形成する。次に、半導体基板上に第2窒化膜を堆積し、第2窒化膜に異方性エッチングを施すことによって、メモリセル選択用MISFETのゲート電極と周辺回路用MISFETのゲート電極の側壁に窒化膜のサイドウォールスペーサを形成する。サイドウォールスペーサに対して自己整合的に周辺回路用MISFETの高濃度半導体領域を形成する。半導体基板上に、酸化膜系の層間絶縁膜を堆積し、メモリセル領域に、ビット線接続孔及びキャパシタ用接続孔をワード線に対して自己整合的に開口する。この、層間絶縁膜に対するビット線接続孔及びキャパシタ用接続孔の開口工程は、サイドウォールを構成する窒化膜と層間絶縁膜を構成する酸化膜とのエッチング選択比が大となる条件で行われるので、ワード線を露出することなく、ビット線接続孔及びキャパシタ用接続孔を形成することが可能となる。
一方、DRAMのメモリセルの集積度を向上する為には、ワード線間隔も小さくする必要が有る。このワード線間隔が小となったワード線上に前述の第2窒化膜を所定の膜厚以上堆積すると、メモリセル領域においてワード線間が第2窒化膜で完全に埋まってしまい、サイドウォールスペーサを形成するために異方性エッチングを施しても、半導体基板表面が露出しない。または、露出面積が非常に小さくビット線またはキャパシタ電極との接触抵抗が大となるという問題がある。
また、メモリセル選択用MISFETのゲート電極と周辺回路用MISFETのゲート電極の側壁に形成されるサイドウォールスペーサは、LDD構造を有する周辺回路用MISFETの低濃度半導体領域の長さを決めており、このサイドウォールスペーサ幅が小になると、周辺回路用MISFETのショートチャネル効果が顕著になるとか、ソース/ドレイン間のパンチスルー耐圧が低下するという問題がある。従って、サイドウォールスペーサを形成するための第2窒化膜の膜厚は、所定の厚さ以上必要となる。
すなわち、MISFETの所定の性能を確保するためにはLDD構造を最適化する必要がある。DRAMのメモリセル選択用MISFETの微細化で、サイドウォールスペーサの幅を小さくするとき、周辺回路用MISFETの高濃度半導体領域が低濃度半導体領域を越えて拡散することを防止するため、サイドウォールスペーサの幅は所定の幅以上にする必要がある。つまり、サイドウォールスペーサの幅に下限が存在する。
一方、メモリアレイの微細化を進めると必然的にゲート電極の間隔、すなわち、隣接するメモリセルの選択MISFET間の間隔が狭くなり、自己整合接続される部分の幅も狭くなる。接続面積の狭小化はコンタクト抵抗の顕著な増加を来すため、サイドウォールスペーサの幅はできるだけ小さくしたいという要求が生じる。このような要求は、最適化されたLDD構造を実現するための要求とは相反するものであり、極端な場合には、最適化されたLDD構造を実現しようとすればメモリアレイ領域において隣接するサイドウォールスペーサが重なり、自己整合接続が実現できない状況も生じる。
本発明の目的は、DRAMを搭載した半導体集積回路装置において、DRAMのメモリセルを微細化して高集積化するとともに高速動作可能な半導体集積回路技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、DRAMの他に電気的書き換え可能な不揮発性メモリをも搭載した半導体集積回路装置において、メモリセルを微細化して高集積化するとともに高速動作可能な半導体集積回路技術を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、DRAMのリフレッシュ特性に優れるとともに高性能な半導体集積回路技術を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、接続孔開孔の際の半導体基体の素子分離領域の過剰エッチングを防止して、信頼性の高い半導体集積回路技術を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、DRAMおよび電気的書き換え可能な不揮発性メモリをも搭載した半導体集積回路装置において、その製造工程を簡略化する技術を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、DRAMを搭載した半導体集積回路装置において、DRAMのメモリセルを微細化して高集積化するとともに、周辺回路用MISFETの信頼性を向上することが可能な半導体集積回路技術を提供することにある。
本発明の目的は、高集積化されたDRAMのメモリセル領域においても、接続孔を自己整合的に形成するとともに、接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止する技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、接続孔を自己整合的に形成するとともに接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止する場合に、その接続孔の加工マージンを向上させることのできる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、接続孔を自己整合的に形成するとともに接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止する場合に、工程の増加を抑制することのできる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、半導体集積回路装置の高集積化を実現するとともに、DRAMのリフレッシュ特性を向上し、メモリセル領域のトランジスタ特性を向上することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
発明の開示
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
(1)本発明の半導体集積回路装置は、半導体基体の主面上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極およびゲート電極下部の半導体基体の主面のチャネル領域に接する半導体領域を含む第1MISFETと、半導体基体の主面上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極、ゲート電極下部の半導体基体の主面のチャネル領域に接する低濃度半導体領域および低濃度半導体領域の外側に設けられた高濃度半導体領域を含む第2MISFETと、を有する半導体集積回路装置であって、第1および第2MISFETのゲート電極の上面にはキャップ絶縁膜が形成され、第2MISFETのゲート電極の側面には、第1の絶縁膜で形成した第1サイドウォール、およびその外側に第1の絶縁膜とは異なる部材からなる第2の絶縁膜で形成された第2サイドウォールが形成され、第1MISFETの半導体領域と第1MISFETの上層に形成された部材とを接続する導体部が、第1の絶縁膜で形成された第3サイドウォールに対して自己整合で形成され、第2MISFETの高濃度半導体領域が、第2の絶縁膜で形成された第2サイドウォールに対して自己整合で形成されているものである。
このような半導体集積回路装置によれば、ゲート電極側面に第1および第2の絶縁膜を形成し、第1のMISFETについてはその上層に形成された部材との接続部を第1の絶縁膜で形成した第3サイドウォールに対して自己整合で形成し、第2のMISFETについては高濃度半導体領域を第2の絶縁膜で形成した第2サイドウォールに対して自己整合で形成するため、半導体集積回路装置の集積度を向上するとともにその性能を向上することができる。
すなわち、第1の絶縁膜で形成した第3サイドウォールにより第1のMISFETの半導体領域と第1のMISFETの上層に形成された部材とを接続する導体部の自己整合性を確保し、第2の絶縁膜で形成した第2サイドウォールにより第2のMISFETのいわゆるLDDを形成するに必要な高濃度半導体領域の位置を最適化して第2MISFETの性能を高く保持することが可能となる。つまり、第1の絶縁膜として、一般的な層間絶縁膜の材料であるシリコン酸化膜に対してエッチング選択比を持つ材料たとえばシリコン窒化膜を用いることができ、第2の絶縁膜としてLDDを形成するに必要な注入イオンの阻止能を有するシリコン酸化膜を用いることができ、第1のMISFETに対しては第2の絶縁膜は自己整合接合を行うための障害とはならず、一方、第2のMISFETに対しては第1および第2の絶縁膜はLDD形成のための有効なスペーサとして作用させることができる。したがって、第1の絶縁膜については、LDD構造を形成するに必要なスペースを考慮して設計する必要がなく、自己整合接続を実現するに十分な膜厚とすればよいため、その膜厚を低減して、第1のMISFETを高集積に形成することができ、一方、第2の絶縁膜については、第1のMISFET形成領域におけるゲート電極配線間の間隔を考慮する必要がなく、第2のMISFETの性能保持に必要な十分な膜厚のサイドウォールスペーサスペーサを形成することが可能となって、第2のMISFETの性能を高性能なものとすることが可能となる。
なお、第1の絶縁膜は、ゲート電極の側面に形成されたシリコン窒化膜からなる第1および第3のサイドウォールスペーサとし、第2の絶縁膜は、第1のサイドウォールスペーサを挟んでゲート電極の側面に形成されたシリコン酸化膜からなる第2のサイドウォールスペーサとすることができる。
また、第1の絶縁膜は、ゲート電極の側面を含む半導体基体に形成されたシリコン窒化膜とし、第2の絶縁膜は、シリコン窒化膜を挟んでゲート電極の側面に形成されたシリコン酸化膜からなるサイドウォールスペーサとすることができる。このような場合、MISFETに接続するための接続孔の開口の際に、エッチング工程をシリコン酸化膜をエッチングするための第1のエッチング工程と、シリコン窒化膜をエッチングするための第2のエッチング工程との2段階のエッチング工程に分け、シリコン窒化膜を第1のエッチング工程のエッチングストッパに用いることが可能である。このようにエッチング工程を2段階に分離することにより、第1のエッチング工程を確実に開口するとともに、第2のエッチング工程において過剰なエッチングを防止することが可能となる。
さらに、本発明の半導体集積回路装置は、第2のMISFETにNチャネルMISFETおよびPチャネルMISFETを含み、C(Complementary)MISFET構造を有するものとすることができる。このような半導体集積回路装置によれば、CMISFET構造により高性能かつ低消費電力の半導体集積回路装置とすることができ、第2のMISFETによりDRAMの周辺回路のみならず、ロジック回路をも構成することができ、メモリおよびロジック混載形の半導体集積回路装置とすることもできる。
(2)本発明の半導体集積回路装置は、前記(1)記載の半導体集積回路装置であって、第1のMISFETをDRAMセルのメモリアレイ領域に配置されたDRAMの選択MISFETとし、第1のMISFETの上層に形成された部材をDRAMの蓄積容量またはビット線とするものである。
このような半導体集積回路装置によれば、DRAMメモリセルの集積度を向上するとともに、前記第2のMISFETにより形成される周辺回路の性能を向上し、高速動作等が可能な高性能なDRAM集積回路装置とすることができる。
また、選択MISFETの半導体領域にドープされた不純物はリンとし、第2のMISFETのうちNチャネルMISFETの低濃度半導体領域または高濃度半導体領域には、少なくともヒ素がドープされているものとすることができる。また、NチャネルMISFETは、第1のNチャネルMISFETと第2のNチャネルMISFETとを含み、第1のNチャネルMISFETは、ヒ素がドープされた低濃度半導体領域およびヒ素がドープされた高濃度半導体領域を含み、第2のNチャネルMISFETは、リンがドープされた低濃度半導体領域およびヒ素がドープされた高濃度半導体領域を含むことができる。さらに、第1のNチャネルMISFETは低濃度半導体領域の下部の高濃度半導体領域に接する領域にボロンがドープされた半導体領域を含み、第2のNチャネルMISFETはボロンがドープされた半導体領域を含まないものとすることができる。
このように、選択MISFETの半導体領域にドープされる不純物をリンとすることにより選択MISFETの耐圧を向上することができ、ソース、ドレイン間のリーク電流を減少してDRAMのリフレッシュ特性を向上することができる。また、第1のNチャネルMISFETの低濃度半導体領域および高濃度半導体領域の双方にヒ素をドープすることにより、第1のNチャネルMISFETのチャネル長を短くすることができ、第2のNチャネルMISFETの低濃度半導体領域にリンをドープし高濃度半導体領域にヒ素をドープすることにより、第2のNチャネルMISFETを高耐圧なMISFETとすることができる。さらに、第1のNチャネルMISFETにパンチスルーストッパとなるボロンがドープされた半導体領域を形成することによりさらにチャネル長を短くすることが可能となり、第2のNチャネルMISFETにパンチスルーストッパを設けないことによりさらに高耐圧化することが可能となる。
また、選択MISFETの半導体領域の表面にはシリサイド層が形成されず、高濃度半導体領域の表面にはシリサイド層が形成されているものとすることができる。選択MISFETの半導体領域の表面にシリサイド層を設けないことによりチャネル間リークを抑制してリフレッシュ特性に優れたDRAMを形成することができ、高濃度半導体領域の表面にシリサイド層を設けることにより、第2のMISFETの接続孔における接続抵抗および半導体領域のシート抵抗を低減して、高速動作可能なMISFETとすることができ、半導体集積回路装置の性能を向上することが可能となる。
さらに、選択MISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、第2のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚いものとすることができる。第2のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚を薄くすることにより第2のMISFETのチャネル長を短くすることができ、選択MISFETのゲート絶縁膜の膜厚を厚くすることにより耐圧に優れたMISFETとすることができ、リフレッシュ特性に優れたDRAMを形成することが可能となる。なお、第2のMISFETのチャネル長を短くすることは、MISFETの駆動電流を増加する作用を有し、高性能なすなわち高速動作可能な半導体集積回路装置とすることができるという効果を有するものである。
(3)本発明の半導体集積回路装置は、前記(1)記載の半導体集積回路装置であって、第1のMISFETを、そのゲート絶縁膜がトンネル絶縁膜であり、ゲート電極にフローティングゲート電極およびフローティングゲート電極上に絶縁膜を介して形成された制御ゲート電極を含む不揮発性メモリセルのメモリアレイ領域に配置されたフローティングゲート形MISFETとするものである。
このような半導体集積回路装置によれば、前記(2)に記載したDRAMと同様に、不揮発性メモリセルのメモリアレイ領域を高集積化することができるとともに、第2のMISFETで構成される不揮発性メモリの周辺回路のMISFETを高性能化することが可能である。
なお、第2のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、第1のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚いものとすることができる。このように第2のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚を厚くすることにより、一般的に高い電圧で駆動される不揮発性メモリの周辺回路用MISFETを高耐圧なMISFETとすることができる。
(4)本発明の半導体集積回路装置は、前記(2)および(3)に記載したDRAMおよび不揮発性メモリを両方含むものである。すなわち、第1のMISFETには、選択MISFETおよびフローティングゲート形MISFETの両方が含まれるものである。
このような半導体集積回路装置によれば、DRAMおよび不揮発性メモリのメモリアレイ領域において高集積化が実現され、それらの周辺回路あるいはロジック回路領域において高性能化された半導体集積回路装置を形成することができる。
なお、DRAMのビット線とフローティングゲート形MISFETの上層に形成された配線とは、同一の工程で形成されたものとすることができる。これにより工程を短縮することが可能である。
また、選択MISFET、フローティングゲート形MISFET、DRAMを駆動する周辺回路またはロジック回路のMISFETおよびフローティングゲート形MISFETを駆動する周辺回路のMISFETの各ゲート絶縁膜の膜厚は相互に相違し、フローティングゲート形MISFETを駆動する周辺回路のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、フローティングゲート形MISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚く、フローティングゲート形MISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、選択MISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚く、選択MISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、DRAMを駆動する周辺回路またはロジック回路のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚いものとすることができる。これにより、選択MISFET、フローティングゲート形MISFET、DRAMを駆動する周辺回路またはロジック回路のMISFETおよびフローティングゲート形MISFETを駆動する周辺回路のMISFETの各MISFETに最適なゲート絶縁膜の膜厚とすることができる。
なお、前記(1)〜(4)記載の半導体集積回路装置は、第2のMISFETが形成された領域に、第2のMISFETおよび半導体基体を覆うシリコン窒化膜が形成されているものとすることができる。
このような半導体集積回路装置によれば、周辺回路あるいはロジック回路領域において、半導体基体上にシリコン窒化膜が形成されているため、半導体基体の素子分離領域上に接続孔が形成された場合であっても、素子分離領域を過剰にエッチングすることがなく、素子間リークを発生することがない。この結果、半導体集積回路装置の不良発生を防止し、その信頼性および性能を向上することができる。
(5)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基体の主面にゲート絶縁膜を形成する工程、(b)ゲート絶縁膜上に、ゲート電極およびキャップ絶縁膜を形成する工程、(c)ゲート電極に対して自己整合で第1および第2MISFETの低濃度半導体領域を形成する工程、(d)ゲート電極の側面に第1のサイドウォールスペーサを形成する工程、(e)第1のサイドウォールスペーサの外側に第2のサイドウォールスペーサを形成する工程、(f)第2MISFETの第2のサイドウォールスペーサに対して自己整合で高濃度半導体領域を形成する工程、(g)半導体基体の全面にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜を堆積する工程、(h)第1MISFETの第1のサイドウォールスペーサに対して自己整合で層間絶縁膜および第2のサイドウォールスペーサをエッチングし、接続孔を開口する工程、(i)接続孔に導体部を形成する工程、を含むものである。
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基体の主面にゲート絶縁膜を形成する工程、(b)ゲート絶縁膜上に、ゲート電極およびキャップ絶縁膜を形成する工程、(c)ゲート電極に対して自己整合で第1および第2MISFETの低濃度半導体領域を形成する工程、(d)ゲート電極の側面を含む半導体基体の全面にシリコン窒化膜を堆積する工程、(e)シリコン窒化膜を挟んだゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成する工程、(f)第2MISFETのサイドウォールスペーサに対して自己整合で高濃度半導体領域を形成する工程、(g)半導体基体の全面にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜を堆積する工程、(h)シリコン窒化膜に対して自己整合で層間絶縁膜およびサイドウォールスペーサをエッチングして開口を形成し、さらに開口底部のシリコン窒化膜をエッチングして接続孔を開口する工程、(i)接続孔に導体部を形成する工程、を含むものである。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、前記した(1)記載の半導体集積回路装置を形成することができる。
(6)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記(c)工程において、第1のMISFETの半導体領域にリンを注入し、第2のMISFETの低濃度半導体領域のうち少なくとも1つ以上の低濃度半導体領域にヒ素を注入することができる。このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、第1のMISFETの耐圧を向上し、第2のMISFETの低濃度半導体領域にヒ素が注入されたものについてはチャネル長を短くすることが可能となる。
また、前記(a)工程において、第1のMISFETのゲート絶縁膜と、第2のMISFETのゲート絶縁膜とは、同一の工程で形成することができる。
このような場合、ゲート絶縁膜の形成工程を短縮して工程を簡略化することができる。
また、(a)工程においてゲート絶縁膜の形成を、第1および第2のMISFETが形成される領域に第1のゲート絶縁膜を形成する工程、第2のMISFETが形成される領域の第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程、第2のMISFETが形成される領域に第2のゲート絶縁膜を形成する工程が含まれるものとすることができる。このような場合、第1および第2のMISFETのゲート絶縁膜の膜厚を相互に異なるものとすることができ、第1のゲート絶縁膜を形成した後に第2のゲート絶縁膜を形成するため、第2のゲート絶縁膜を第1のゲート絶縁膜よりも薄く形成することが可能である。
(7)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記(5)記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜を不揮発性メモリを構成するフローティングゲート形MISFETのトンネル絶縁膜とし、ゲート電極の形成には、トンネル絶縁膜上にフローティングゲート形MISFETのフローティングゲート電極を形成する工程およびフローティングゲート電極上に絶縁膜を介してフローティングゲート形MISFETの制御ゲート電極を形成する工程を含めることができる。このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、メモリアレイ領域において高集積化し、周辺回路領域において高性能化を実現した不揮発性メモリを形成することができる。
(8)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記(5)または(6)記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、(a)工程の前に、半導体基体の主面上に不揮発性メモリを構成するフローティングゲート形MISFETのトンネル絶縁膜を形成し、トンネル絶縁膜上にフローティングゲート形MISFETのフローティングゲート電極を形成する工程を有するものである。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、メモリアレイ領域において高集積化し、周辺回路領域において高性能化を実現したDRAMおよび不揮発性メモリが混載された半導体集積回路装置を製造することができる。
なお、(b)工程におけるゲート電極の形成と、フローティングゲート形MISFETの制御ゲート電極の形成とを、同一の工程で形成し、工程を簡略化することも可能である。
さらに、トンネル絶縁膜の膜厚を、(a)工程におけるゲート絶縁膜の膜厚よりも厚く形成することも可能である。
(9)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記(5)〜(8)記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、(g)工程の前に、第2のMISFETが形成される領域に第2のシリコン窒化膜を堆積し、第2のMISFETとその上層に形成される部材とを接続する導電部が形成される領域の層間絶縁膜を第2のシリコン窒化膜に対してエッチング選択比がとれる条件でエッチングして開口を形成し、さらに開口底部の第2のシリコン窒化膜をエッチングして接続孔を開口し、導電部を形成する工程を有するものとすることができる。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、第2のシリコン窒化膜により層間絶縁膜のエッチングをストップし、層間絶縁膜に比較して極めて薄くすることができる第2のシリコン窒化膜をその後エッチングすることができるため、エッチングのオーバーエッチは第2のシリコン窒化膜の膜厚の2分の1に相当する程度で十分であり、接続孔が半導体基体の素子分離領域にかかった場合であっても素子分離領域が過剰にエッチングされることがない。この結果、エッチング工程のプロセスマージンが確保されるとともに、素子分離領域の素子分離能が確保され、半導体集積回路装置の性能および信頼性を確保することができる。
なお、第2のシリコン窒化膜は、第1の絶縁膜として形成されるシリコン窒化膜と同一の工程で形成することが可能である。
以上開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単にまとめて説明すれば以下のとおりである。
(1)DRAMまたは不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路装置において、DRAMまたは不揮発性メモリのメモリセルを微細化して高集積化するとともに高速動作可能な半導体集積回路技術を提供することができる。
(2)DRAMおよび電気的書き換え可能な不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路装置において、メモリセルを微細化して高集積化するとともに高速動作可能な半導体集積回路技術を提供することができる。
(3)DRAMのリフレッシュ特性に優れるとともに高性能な半導体集積回路技術を提供することができる。
(4)接続孔開孔の際の半導体基体の素子分離領域の過剰エッチングを防止して、信頼性の高い半導体集積回路技術を提供することができる。
(5)DRAMおよび電気的書き換え可能な不揮発性メモリを搭載した半導体集積回路装置において、その製造工程を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の一例を示した要部断面図であり、図2は、実施の形態1の半導体集積回路装置に含まれるDRAMのメモリセル領域における平面図であり、図3は、実施の形態1の半導体集積回路装置のブロック図であり、図4は、実施の形態1の半導体集積回路装置に含まれるDRAMの等価回路図であり、図5〜図25は、実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図または平面図であり、図48および図49は、実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法の他の一例を工程順に示した断面図である。
また、図26は、本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図であり、図27〜図29は、実施の形態2の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図である。
また、図30は、本発明の実施の形態3である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図であり、図31〜図33は、実施の形態3の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図である。
また、図34は、本発明の実施の形態4である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図であり、図35は、図34における領域Cおよび領域Dの拡大断面図であり、図36は、実施の形態4の半導体集積回路装置に含まれる電気的書き換え可能な一括消去形不揮発性メモリいわゆるフラッシュメモリのメモリアレイ領域の平面図であり、図37は、フラッシュメモリの部分の等価回路図であり、図38〜図46は、実施の形態4の半導体集積回路装置の製造方法の一例を工程順に示した平面図または断面図である。
また、図47は、本発明の実施の形態5である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図である。
また、図50(a)は、本発明の実施の形態6であるDRAMの一例をそのメモリセル領域について示した断面図であり、図50(b)は、実施の形態6のDRAMの周辺回路領域について示した断面図であり、図51は、実施の形態6のDRAMのメモリセル領域の平面図であり、図52(a)は、図51におけるIIIa-IIIa線断面、図52(b)は、図51におけるIIIb-IIIb線断面であり、図35〜図79は、実施の形態6のDRAMの製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
また、図80および図81は、本発明の実施の形態7であるDRAMの製造方法の一例を示した断面図であり、図82〜図84は、本発明の実施の形態8であるDRAMの製造方法の一例を示した断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
図1は本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の一例を示した要部断面図である。図2は本実施の形態1の半導体集積回路装置に含まれるDRAMのメモリセル領域における平面図であり、図3は本実施の形態1の半導体集積回路装置のブロック図である。また、図4は本実施の形態1の半導体集積回路装置に含まれるDRAMの等価回路図である。
本実施の形態1の半導体集積回路装置は、図1の領域Aに示すように、DRAMのメモリセルを構成する情報記憶用蓄積容量素子C2,C3と、これに接続された選択MISFETQs2,Qs3およびこれらに隣接するワード線WL1,WL4を含むものである。図1に示すDRAMの断面は、図2に示すDRAMのメモリセル領域の平面図のI−I線断面を示したものである。また、本実施の形態1の半導体集積回路装置は、図1の領域Bに示すように、DRAMのメモリセル以外の周辺回路あるいは他の論理回路を構成するためのNチャネルMISFETQn1、PチャネルMISFETQp1および第2のNチャネルMISFETQn2を含むものである。
また、本実施の形態1の半導体集積回路装置は、図3に示すように、情報処理部CPU、入出力部PORT、アナログデジタル回路部ADC、タイマー等の他の論理回路部LG、OS等のデータ記憶用のROMおよびメモリとしてのDRAMを同一の半導体基体1に形成されたマイクロコンピュータであり、各々の回路はバスBUSにより相互に接続されている。そして、NチャネルMISFETQn1とPチャネルMISFETQp1とは情報処理部CPU等の論理構成に使用することができる。
また、図4の等価回路に示すように、1ビットのメモリセルは情報記憶用蓄積容量素子Cと選択MISFETQs(Qs2,Qs3)とで構成され、情報記憶用蓄積容量素子Cと選択MISFETQs(Qs2,Qs3)は直列に接続される。選択MISFETQsのゲート電極はワード線WL(WL0,WL1,WLn)に電気的に接続され、かつ、一体に構成される。ワード線WLは、ワード線ドライバWDに接続されている。選択MISFETQsのソースまたはドレイン領域の一方は、情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極と電気的に接続される。また選択MISFETQsのソースまたはドレイン領域の他方はビット線BLに接続され、ビット線BLはセンスアンプSAに接続されている。このように、1ビットのメモリセルは、ワード線WLとビット線BLとの交点に配置される。後述するように、ワード線WLは第1方向に延在し、ビット線BLは第1方向に垂直な第2方向に延在する。
なお、センスアンプSAは特に限定はされないが、前記NチャネルMISFETQn1とPチャネルMISFETQp1で構成することができる。ワード線ドライバWDを構成するNチャネルMOSFETは後述するようにNチャネルMISFETQn1とは低濃度の半導体領域の不純物が異なるNチャネルMISFETQn2で構成することができる。さらにこのNチャネルMISFETQn2はチャージポンプ回路や必要に応じて入出力部PORT等で、NチャネルMISFETQn1よりも高い電圧で動作する回路部に使用される。
次に図1の要部断面図を用いて各部の構成を説明する。
1ビットのメモリセルは情報記憶用蓄積容量素子C(C2,C3)と選択MISFETQs(Qs2,Qs3)とから構成される。選択MISFETQsはP形の半導体基体1の主面に形成されたP形ウエル領域5に形成される。メモリセルのP形ウエル領域5はN形のN形半導体領域3でP形の半導体基体1から電気的に分離されている。これにより同一の半導体基体1に搭載された他の回路からのノイズの防止やDRAMのビット線蓄積容量を低減するために選択MISFETQsのチャネル領域であるP形ウエル領域5に基板バイアスを印加するにとができる。
選択MISFETQsは、P形ウエル領域5においてフィールド絶縁膜2で規定された活性領域5bに形成され、P形ウエル領域5(チャネル形成領域)、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7およびソース・ドレイン領域を構成する一対の低濃度に不純物がドープされた低濃度N形半導体領域9から構成される。ゲート電極7は低抵抗化のためにリン(P)等からなる不純物を含んだシリコン膜あるいはシリコン膜上部にタングステンシリサイド(WSi)等のシリサイドまたはタングステン(W)等の金属膜を形成した多層構造とすることができる。
ゲート電極7の上部は窒化シリコン膜8で覆われ、ゲート電極7および窒化シリコン膜8の側面には窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15とが形成されている。なお、窒化シリコン膜8は、ゲート電極7上に同じパターンを有するように構成される。
低濃度N形半導体領域9には不純物として、たとえばリンをドープすることができる。これにより、ゲート電極7の端部とP形ウエル領域5との間での電界強度(ドレイン端部における電界強度)を弱め、さらに不純物注入時に発生する結晶欠陥の発生を防止してリーク電流を減らし、リフレッシュ時間を長くすることができる。
また、後述する図6に示すように、選択MISFETQsは、2つのメモリセルを一単位としてフィールド絶縁膜2でメモリセルと電気的に分離され、活性領域5bはフィールド絶縁膜2で規定されている。
選択MISFETQsの一方の低濃度N形半導体領域9は接続孔19を介して導電体20に接続され、導電体20は情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極に接続されている。
導電体20は窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で形成されている。すなわち接続孔19がゲート電極7の側面に形成された窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で形成されている。このように、導電体20が第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で低濃度N形半導体領域9と接続できるのは第2サイドウォールスペーサ15が後に説明する絶縁膜18と同一の材料である酸化シリコンで形成され、かつ、第2サイドウォールスペーサ15および絶縁膜18は、第1サイドウォールスペーサ14とエッチングレートが異なる材料で形成されているためである。すなわち、絶縁膜18および第2サイドウォールスペーサ15をエッチングするとき、第1サイドウォールスペーサ14は酸化シリコンに比べてエッチングされにくい条件で行う。これにより、エッチングにより接続孔19を形成するとき、導電体20が第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で接続されているため接続孔19の開口を大きくし、マージンを大きくとれるためゲート電極7の間隔を小さくして集積度を向上することが可能となる。すなわち、図18を用いて後述するように、第2方向に隣接するワード線WL間の間隔、すなわちゲート電極7間の間隔を小さくして集積度を向上しても、接続孔19の開口を大きくとることができ、コンタクト抵抗を低減することができる。また、接続孔19をリソグラフィで形成する際に、第2方向における合わせ余裕を小さくすることができるので、第2方向における間隔を縮小することができる。
なお、本実施の形態1においては接続孔19はゲート電極7の上部に位置しないように形成されているが、ゲート電極7の上部にも窒化シリコン膜8が形成されているので接続孔19をゲート電極7に位置するように開孔してもよい。これによりマージンをさらに大きくすることができる。
選択MISFETQsの他方の低濃度N形半導体領域9は接続孔21を介してビット線BLと一体に構成されて導電体22に接続されている。
導電体22は導電体20と同様に、ゲート電極7の側面に形成された窒化シリコンからなる第一サイドウォールスペーサに対して自己整合で形成されている。また、前記接続孔19と同様に、ビット線BLへの接続孔21もゲート電極7の上部に延びて位置するようにしてもよい。これにより、接続孔19と同様に接続孔21の開口を大きくし、マージンを大きくとれるため、ゲート電極7の間隔(ワード線WLの間隔)を小さくして集積度を向上することが可能となる。すなわち、図20を用いて後述するように、第2方向に隣接するメモリセルの選択MISFETQsの間隔、すなわちゲート電極7間の間隔を小さくして集積度を向上させても、接続孔21の開口を大きくとることができ、コンタクト抵抗を低減することができる。また、接続孔21をリソグラフィで形成する際に、第2方向における合わせ余裕を小さくすることができるので、第2方向における間隔を縮小できる。
また、導電体20および導電体22は低抵抗化のためにリン等からなる不純物を含んだシリコンあるいはWSi等のシリサイドとしてもよい。
情報記憶用蓄積容量素子Cは一方の電極(下部電極)を構成する導電体25と導電体27、誘電体膜28と他方の電極を構成する上部電極29とから構成されている。図22を用いて後述するように、導電体25および導電体27は接続孔24を介して導電体20に接続され、他の情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極と一つずつ電気的に分離され、各々の一方の電極はこれに対応した一つの選択MISFETQsの一方の低濃度N形半導体領域9に接続されている。情報記憶用蓄積容量素子Cの他方の電極は複数のメモリセル間で電気的に接続され、図示しない領域において、たとえば電源電圧の1/2であるプレート電位の発生回路に接続されている。
導電体25、導電体27および上部電極29は、たとえば低抵抗化のためにリン等からなる不純物を含んだシリコン膜から形成されている。誘電体膜28は、たとえば窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とからなる積層膜、あるいは酸化タンタル膜等から形成されている。
NチャネルMISFETQn1はP形ウエル領域5に形成され、P形ウエル領域5(チャネル形成領域)、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、ソースおよびドレインを構成する一対の低濃度N形半導体領域10および高濃度N形半導体領域16から構成される。低濃度N形半導体領域10の下部にはNチャネルMISFETQn1のゲート長を短くして短チャネルなNチャネルMISFETを得るためにP形半導体領域11が形成されている。P形半導体領域11はいわゆるMISFETのパンチスルーストッパの働きをしている。
DRAMの選択MISFETQsと同様にゲート電極7の上部には窒化シリコン膜8が形成され、ゲート電極7の側面には窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15が形成されている。そして、高濃度N形半導体領域16は後述するように酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成されている。このように高濃度N形半導体領域16を第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成するため、第2サイドウォールスペーサ15の厚さを最適化してNチャネルMISFETQn1の性能を向上することができる。
低濃度N形半導体領域10はゲート長の短チャネルなNチャネルMISFETを得るためにたとえばヒ素(As)が不純物として注入されている。ヒ素はリンに比べて熱拡散係数が小さいので横方向の拡散を短くできるため、ゲート長の短チャネルなNチャネルMISFETを得ることができる。さらに熱拡散係数が小さいことから低濃度N形半導体領域10の濃度を高くでき、この結果寄生抵抗も小さくできるので高性能なNチャネルMISFETを得ることができる。なお、低濃度N形半導体領域10は、ゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合的に形成される。
低濃度N形半導体領域10の下部にパンチスルーストッパとして作用するP形半導体領域11はボロン(B)を不純物として注入して形成されている。このP形半導体領域11が設けられているため空乏層の延びを抑えることができ、さらに短チャネル特性を良好にすることができる。
PチャネルMISFETQp1はN形ウエル領域4内に形成され、N形ウエル領域4(チャネル形成領域)、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、ソースおよびドレインを構成する一対の低濃度P形半導体領域12および高濃度P形半導体領域17から構成される。低濃度P形半導体領域12は、チャネル形成領域と高濃度P形半導体領域17との間に形成される。低濃度P形半導体領域12の下部にはPチャネルMISFETQp1のゲート長を短くして短チャネルなPチャネルMISFETを得るためにN形半導体領域13が形成されている。N形半導体領域13はいわゆるMISFETのパンチスルーストッパの働きをしている。DRAMの選択MISFETQsと同様にゲート電極7の上部には窒化シリコン膜8が形成され、ゲート電極7および窒化シリコン膜8の側面には窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15が形成されている。そして、高濃度P形半導体領域17は後述するように酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成されている。このように高濃度P形半導体領域17を第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成するため、第2サイドウォールスペーサ15の厚さを最適化してPチャネルMISFETQp1の性能を向上することができる。これにより、高濃度P形半導体領域17が低濃度P形半導体領域12を越えて拡散しないようにすることができる。
低濃度P形半導体領域12はボロンを不純物として注入されている。低濃度P形半導体領域12の下部にパンチスルーストッパとして作用するN形半導体領域13はヒ素またはリンを不純物として注入して形成されている。このN形半導体領域13が設けられているため空乏層の延びを抑えることができ、さらに短チャネル特性を良好にすることができる。
NチャネルMISFETQn2はP形ウエル領域5に形成され、P形ウエル領域5(チャネル形成領域)、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、ソースおよびドレインを構成する一対の低濃度N形半導体領域10bおよび高濃度N形半導体領域16bから構成される。低濃度N形半導体領域10bは、チャネル形成領域と高濃度N形半導体領域16bとの間に形成される。DRAMの選択MISFETQsと同様にゲート電極7の上部には窒化シリコン膜8が形成され、ゲート電極7の側面には窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15が形成されている。そして、低濃度N形半導体領域10bはゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合で形成され、高濃度N形半導体領域16bは後述するように酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成されている。このように高濃度N形半導体領域16bを第2サイドウォールスペーサ15に対して自己整合で形成して、高濃度N形半導体領域16bが低濃度N形半導体領域10bを越えて拡散せずに、かつ、低濃度N形半導体領域10bで電界強度を緩和するとともに所定の抵抗値を持つように第2サイドウォールスペーサ15の厚さを最適化してNチャネルMISFETQn2の性能を向上することができる。すなわち、NチャネルMISFETQn2の性能を向上するため、第2サイドウォールスペーサ15の厚さを最適化したとしても、メモリセルアレイにおいて、第2方向におけるワード線WL間すなわち選択MISFETQsのゲート電極7間の間隔を小さくできるとともに、接続孔19,21の開口を大きくし、マージンを大きくとれるので、コンタクト抵抗を低減することができる。
低濃度N形半導体領域10bには不純物としてたとえばリンを注入し、その下部にはP形半導体領域のパンチスルーストッパが設けられていない。このように、NチャネルMISFETQn2の低濃度N形半導体領域10bの不純物がリンで形成されているので、同じ低濃度N形半導体領域10をヒ素で形成したNチャネルMISFETQn1よりも耐圧を高くできる。また、パンチスルーストッパが設けられていないため耐圧を高くすることができる。このNチャネルMISFETQn2はDRAMのワード線ドライバWDやチャージポンプ回路あるいは入出力部PORT等、NチャネルMISFETQn1よりも高い電圧での動作が必要な回路に使用することができる。
NチャネルMISFETQn1、NチャネルMISFETQn2、PチャネルMISFETQp1の各ソースおよびドレインを構成する半導体領域は接続孔30を介して、第一の配線32に接続される接続部材31に接続されている。接続部材31は必要に応じてMISFETのゲート電極7の側面に形成された窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で形成することができる。図1においてはPチャネルMISFETQp1の左側の接続領域が該当する。
さらに、各々の第一の配線32は接続孔34を介して、第二の配線36と接続される接続部材35に接続され、各々の第二の配線36は接続孔38を介して、第三の配線40と接続される接続部材39に接続されている。そして、その上部にはパッシベーション膜41が形成され、パッシベーション膜41にはボンディング領域42が形成されている。
上下の配線を接続する接続部材31,35,39は特に限定されないがタングステン(W)を用いることができる。配線32,36,40は特に限定されないが窒化チタン(TiN)と銅(Cu)を含むアルミニウム(Al)との積層膜で形成することができる。
各々の配線32,36,40は、絶縁膜18,23,33,37により絶縁され、絶縁膜18,23,33,37は酸化シリコン膜あるいはボロン、リンの一方または両方を含むドープされた酸化シリコン膜で形成することができる。パッシベーション膜41は酸化シリコン膜あるいはボロン、リンの一方または両方を含むドープされた酸化シリコン膜またはその上部に形成された窒化シリコン膜で形成することができる。
次に、本実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を図5〜図25を用いて説明する。図5〜図25は、本実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図または平面図である。
まず、図5および図6に示すように、P形の半導体基体1の所定領域にフィールド絶縁膜2を形成する。フィールド絶縁膜2は公知の窒化シリコンによる選択酸化法によるLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法あるいは次に概要を説明する浅溝アイソレーション法等により形成することができる。
浅溝アイソレーション法はP形の半導体基体1の主平面に図示しない酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を順次形成する。そしてフォトレジスト等によりフィールド絶縁膜2の形成領域の前記酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を除去した後、P形の半導体基体1を深さ方向にたとえば0.3〜0.4μmの溝を形成する。次に前記窒化シリコン膜を酸化マスクとして前記溝の側面と底面に熱酸化シリコンを形成する。そして、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面に酸化シリコン膜を堆積した後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法あるいはドライエッチング法により溝以外の領域の前記CVD法による酸化シリコン膜を除去して、構内に酸化シリコンを選択的に埋め込む。酸化性雰囲気で前記CVD法による酸化シリコン膜のデンシファイ(緻密化のための熱処理)を行う。そして、前記窒化シリコン膜を除去することにより浅溝アイソレーション法によるフィールド絶縁膜2を形成することができる。残った部分は活性領域5bを形成する。
次に、図7に示すように、N形半導体領域3を形成する。N形半導体領域3は、たとえばフォトレジストをマスクにして、リンをイオン注入法により、加速エネルギ500〜1000keV、ドーズ量約1×1012atoms/cm2の条件で1回あるいは条件を変えて数回注入することにより形成することができる。この後、1000℃程度の熱処理により不純物の活性化を行う。この場合、1%程度の酸素を含む窒素雰囲気で20〜30分程度行うことができる。望ましくは赤外線による加熱を用いたRTA(Rapid Thermal Annealing)法により短時間で熱処理を行い、不純物分布の制御を行うことができる。
次にN形ウエル領域4とP形ウエル領域5を形成する。N形ウエル領域4はたとえばフォトレジストをマスクにして、リンをイオン注入法により、加速エネルギ300〜500keV、ドーズ量約1×1013atoms/cm2の条件で1回あるいは条件を変えて数回注入することにより形成することができる。P形ウエル領域5はたとえばフォトレジストをマスクにして、ボロンをイオン注入法により、加速エネルギ200〜300keV、ドーズ量約1×1013atoms/cm2の条件で1回あるいは条件を変えて数回注入することにより形成することができる。この後、1000℃程度の熱処理により不純物の活性化を行う。この場合、1%程度の酸素を含む窒素雰囲気で20〜30分程度行うことができる。望ましくはRTA法により短時間熱処理を行い、不純物分布の制御を行うことができる。
次に、図8および図9に示すように、P形の半導体基体1上の酸化シリコン膜を除去して新たに清浄なゲート絶縁膜6を形成する。ゲート絶縁膜6は700〜800℃の熱酸化法で酸化シリコン膜を形成した後に、NOあるいはN2Oからなる酸化窒素雰囲気にて熱処理することにより窒素を含んだ酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜6を形成する。酸化窒素雰囲気の熱処理はNO雰囲気の場合は900〜1000℃、N2O雰囲気の場合は1000〜1100℃で20〜30分程度行うことができる。あるいはRTA法により1000〜1100℃の短時間熱処理を行う。この熱処理によりゲート絶縁膜6とP形の半導体基体1の界面が良好となり、MISFETの動作により発生するホットキャリアによるゲート絶縁膜6の劣化を抑制できる。この界面が良好になるのは、ゲート絶縁膜6と半導体基体1との界面にSi−O結合よりも強い結合を有するSi−N結合が形成されるからと考えられている。
ゲート絶縁膜6の膜厚は動作時の最大電界が5MeV/cm以下になるように設定する。たとえば、3.3Vで動作する場合は7〜9nm、2.5Vで動作する場合は5〜7nm、1.8Vで動作する場合には4〜5nmに設定することができる。
次にゲート電極7と窒化シリコン膜8とを順次形成する。ゲート電極7は低抵抗化のためにリン等からなる不純物を含んだシリコン膜あるいはシリコン膜の上部にWSi等のシリサイドまたはW等の金属を形成した多層構造で構成されている。これらの導体膜をCVD法あるいはスパッタ法で全面に堆積させ、次に、窒化シリコン膜8をCVD法あるいはプラズマCVD法で全面に堆積させた後、たとえばフォトレジストをマスクにして窒化シリコン膜および導電膜を順次所定のパターンでパターニングを行う。これによりDRAMのメモリセルの選択MISFETQs、NチャネルMISFETQn1、NチャネルMISFETQn2やPチャネルMISFETQp1等のゲート電極7、第1方向に延在するワード線WLを形成する。ゲート電極7のチャネル長は0.2〜0.4μm程度に形成する。このゲート電極7、ワード線WLの上部には窒化シリコン膜8が同じ平面パターンを有するように形成される。
なお、MISFETのしきい値(Vth)を制御するチャネル不純物の注入はゲート絶縁膜6の形成前あるいはゲート電極7の形成後にイオン注入法で形成することができる。
次に、図10および図11に示すように、選択MISFETQsの低濃度N形半導体領域9とNチャネルMISFETQn2の低濃度N形半導体領域10bをフォトレジストをマスクにして選択的に形成する。低濃度N形半導体領域9,10bは、たとえばイオン注入法により、リンを加速エネルギ20〜40keV、ドーズ量約5×1013atoms/cm2の条件で注入して形成する。このように低濃度N形半導体領域9,10bは、ゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合的に不純物を導入することにより形成される。すなわち、低濃度N形半導体領域9,10bは、ゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合的に形成される。
次に、NチャネルMISFETQn1の低濃度N形半導体領域10とその下部のP形半導体領域11をフォトレジストをマスクにして選択的に形成する。低濃度N形半導体領域10は、たとえばイオン注入法により、ヒ素を加速エネルギ20〜40keV、ドーズ量約1×1014atoms/cm2の条件で注入して形成する。この場合、特に限定されないがゲート電極7の側面に対して30〜50度傾けて(P形半導体領域の垂線に対して30〜50度傾けて)注入することができる。これによりゲート電極7の下部にも低濃度N形半導体領域10が形成されるのでホットキャリア耐性を良くすることができる。このように、低濃度N形半導体領域10は、ゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合的に不純物を導入することにより形成される。すなわち、低濃度N形半導体領域10は、ゲート電極7および窒化シリコン膜8に対して自己整合的に形成される。
P形半導体領域11は、たとえばイオン注入法により、ボロンを加速エネルギ10〜20keV、ドーズ量約1×1013atoms/cm2の条件で注入して形成する。この場合、特に限定されないがゲート電極7の側面に対して30〜50度傾けて(P形半導体領域の垂線に対して30〜50度傾けて)注入することができる。これにより低濃度N形半導体領域10の下部に充分に回り込ませることができるので良好な短チャネル特性を得ることができる。
さらに、PチャネルMISFETQp1の低濃度P形半導体領域12とその下部のN形半導体領域13を形成する。低濃度P形半導体領域12は、たとえばイオン注入法により、ボロンを加速エネルギ5〜10keV、ドーズ量約5×1013atoms/cm2の条件で注入して形成する。この場合、特に限定されないがゲート電極7の側面に対して30〜50度傾けて(P形半導体領域の垂線に対して30〜50度傾けて)注入することができる。N形半導体領域13は、たとえばイオン注入法により、リンを加速エネルギ50〜80keV、ドーズ量約1×1013atoms/cm2の条件で注入して形成する。この場合、特に限定されないがゲート電極7の側面に対して30〜50度傾けて(P形半導体領域の垂線に対して30〜50度傾けて)注入することができる。これにより低濃度P形半導体領域12の下部に充分に回り込ませることが出来るので良好な短チャネル特性を得ることができる。
この後、850℃程度の熱処理により不純物の活性化を行う。この場合、1%程度の酸素を含む窒素雰囲気で20〜30分程度行う。望ましくはRTA法により1000℃程度の短時間熱処理を行い、不純物分布の制御を行うことができる。
なお、好ましくは、前記各低濃度半導体領域を形成する前に700〜800℃程度で酸化性雰囲気で熱処理を行うことができる。これによりゲート電極7のパターニング時に薄くなったゲート電極7の端部を補強でき、そのためゲート耐圧を向上することができる。
次に、図12および図13に示すように、ゲート電極7および窒化シリコン膜8の側面に窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14を形成する。第1サイドウォールスペーサ14はCVD法あるいはプラズマCVDで窒化シリコン膜を全面に堆積した後に異方性ドライエッチングでエッチングすることにより形成することができる。窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14の厚さはゲート電極7の下部でチャネル長方向(第2方向)における厚さt1が0.04〜0.08μm程度になるように形成する。これによりゲート電極7は上部を窒化シリコン膜8、側面を窒化シリコン膜からなる第1サイドウォールスペーサ14で覆われることとなり、後に説明する接続孔19,21の開口の際に自己整合な接続孔の開口を実現できる。また、第1サイドウォールスペーサ14の厚さt1を0.04〜0.08μm程度に薄く形成することができるため、第2方向における選択MISFETQsのゲート電極7間の間隔を小さくして半導体集積回路装置の高集積化を図ることができる。
なお、窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14を薄く形成して、前記低濃度の半導体領域をこの第1サイドウォールスペーサ14の形成後に形成してもよい。この場合にはさらに短チャネルな特性を得ることができる。すなわち、図48に示すように、第1サイドウォールスペーサ14を形成した後、図49に示すように低濃度N形半導体領域9,10,10bおよび低濃度P形半導体領域12は、第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合的に形成することにより、第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合的に形成される。
次に、図14および図15に示すように、第1サイドウォールスペーサ14の側面に酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15を形成する。第2サイドウォールスペーサ15は、CVD法あるいはプラズマCVDで酸化シリコン膜を全面に堆積した後に異方性ドライエッチングによりエッチングすることで形成することができる。第2サイドウォールスペーサ15は、その厚さ(幅)が第1サイドウォールスペーサ14よりも大となるようにする。窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15を合わせた厚さt2はゲート電極7の下部でチャネル方向における厚さt2が0.1−0.15μm程度になるように形成する。この時、第2方向において選択MISFETQsの二つのゲート電極7の間が酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15で埋められても、後述するように問題はない。すなわち窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14の隙間(スペース)t3があればよい。すなわち、接続孔19,21は第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で開口することができるので、図13に示すように、第2方向における第1サイドウォールスペーサ14の間隔t3が接続孔19,21の開口になる。すなわち、第1サイドウォールスペーサ14の厚さt1を十分小さくして、第2方向に厚さt1を微細化するとともに、第1サイドウォールスペーサ14間の間隔t3が所定のコンタクト抵抗をとれる大きさにまで小さくすることができる。
次に、図16に示すように、NチャネルMISFETQn1の高濃度N形半導体領域16とNチャネルMISFETQn2の高濃度N形半導体領域16bを形成する。高濃度N形半導体領域16,16bは、たとえばイオン注入法により、ヒ素を加速エネルギ20〜60keV、ドーズ量約1〜5×1015atoms/cm2の条件で注入して形成する。この時、選択MISFETQsには高濃度の半導体領域を形成しない。これにより高濃度の半導体領域を形成するときのイオン注入により発生する結晶欠陥を抑制し、PN接合のリーク電流が増加してDRAMのリフレッシュ時間を短くするという不具合の発生を防止することができる。
さらに、PチャネルMISFETQp1の高濃度P形半導体領域17を形成する。高濃度P形半導体領域17は、たとえばイオン注入法により、ボロンを加速エネルギ10〜20keV、ドーズ量約1〜5×1015atoms/cm2の条件で注入して形成する。この後、850℃程度の熱処理により不純物の活性化を行う。この場合、1%程度の酸素を含む窒素雰囲気で20〜30分程度行う。望ましくはRTA法により1000℃程度の短時間熱処理を行い、不純物分布の制御を行うことができる。
このように、第2サイドウォールスペーサ15を設け、最適なサイドウォールスペーサの長さt2で高濃度の半導体領域を形成できるので高性能なNチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1を得ることができる。一方、メモリアレイにおいては、第1サイドウォールスペーサ14の厚さt1を小さくするとともに、第1サイドウォールスペーサ14間の間隔t3を小さくできるので、第2方向における微細化を図ることができ、かつ、接続孔19,21の開口マージンを大きくし、コンタクト抵抗を低減することができる。
次に、図17および図18に示すように、酸化シリコン膜またはボロンとリンの両方あるいは一方を含むドープされた酸化シリコン膜からなる絶縁膜18を形成する。絶縁膜18は、たとえばCVD法あるいはプラズマCVD法により全面に酸化シリコン膜あるいはボロンとリンの両方あるいは一方を含むドープされた酸化シリコン膜を堆積した後、リフローあるいはCMP法により、全面において基体表面からの高さが均一になるように平坦化する。
さらに、DRAMのメモリセルの情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極に接続するための接続孔19を形成する。接続孔19はドライエッチングにより行い、ゲート電極7上部の窒化シリコン膜8や窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と、酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15および酸化シリコンからなる絶縁膜18との選択比を大きくした条件で行う。つまり、窒化シリコンのエッチング速度(エッチング量)を小さく、酸化シリコンのエッチング速度(エッチング量)が速くなるエッチング条件で行う。このようなエッチングは、たとえばC4F8とO2の混合ガスにArスパッタを併用することで達成できる。このような条件でエッチングを行うことにより、接続孔19を第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で開口することができる。すなわち光リソグラフィを用いて接続孔19を形成するために第2方向における合わせ余裕を小さくでき、第2方向において微細化を図ることができる。
さらに、半導体基体1の全面に低抵抗化のためのリン等の不純物を含んだ多結晶シリコン膜を形成する。そして異方性エッチングにより接続孔19以外の前記多結晶シリコン膜を除去して、接続孔19内に導電体20を形成する。
次に、図示しない絶縁膜(シリコン酸化膜)を堆積し、導電体20を被覆する。
次に、図19および図20に示すように、DRAMのメモリセルのビット線BLに接続するための接続孔21を形成する。接続孔21はドライエッチングにより行い、前記接続孔19の場合と同様に窒化シリコンと酸化シリコンとの選択比を大きくした条件で行う。これにより接続孔21を第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で開口することができる。これにより、接続孔19と同様に、光リソグラフィを用いて接続孔21を形成する際に、第2方向における合わせ余裕を小さくでき、第2方向において微細化を図ることができる。
さらに、低抵抗化のためのリン等の不純物を含んだシリコン膜あるいはWSi等のシリサイド膜を形成する。そしてフォトレジストをマスクに接続孔21内に導電体22を形成するとともにワード線WLと垂直方向(第2方向)に延在してビット線BLとなるようパターニングする。
次に、図21および図22に示すように、酸化シリコンまたはボロンとリンの両方あるいは一方を含むドープされた酸化シリコンからなる絶縁膜23を形成する。絶縁膜23は、たとえば前記絶縁膜18と同様にCVD法あるいはプラズマCVD法により、全面に酸化シリコン膜またはボロンとリンの両方あるいは一方を含むドープされた酸化シリコン膜を堆積した後、リフローあるいはCMP法により、全面において基体表面からの高さが均一になるように平坦化する。そしてDRAMのメモリセルの情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極に接続するための接続孔24を形成する。接続孔24はドライエッチングによりエッチングを行い、導電体20に達する孔を形成する。このようなエッチングはCF4とCHF3の混合ガスにArスパッタを併用することで達成できる。
さらに、DRAMのメモリセルの情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極となる導電体25を形成する。導電体25は低抵抗化のためのリン等の不純物を含んだ多結晶シリコン膜あるいはWSi等のシリサイド膜で形成する。次に、たとえば酸化シリコンからなる絶縁膜26を形成し、そしてフォトレジストをマスクに接続孔24内に導電体25を形成するとともに絶縁膜26と前記導電体25を情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極となるようパターニングする。
次に、図23に示すように、低抵抗化のためのリン等の不純物を含んだ多結晶シリコン膜あるいはWSi等のシリサイド膜を形成する。そして異方性のドライエッチングを行うことにより、絶縁膜26の側面に導電体25に接続された導電体27を形成する。導電体25と導電体27で情報記憶用蓄積容量素子Cの一方の電極を形成する。
次に、図24に示すように、絶縁膜26を除去した後、情報記憶用蓄積容量素子Cの誘電体膜28と上部電極29を順次形成する。誘電体膜28は酸化シリコンと窒化シリコンからなる積層膜、あるいは酸化タンタル(Ta2O3)膜で形成する。上部電極29は低抵抗化のためのリン等の不純物を含んだ多結晶シリコン膜あるいはWSi等のシリサイド膜を形成する。
次に、図25に示すように、第一の配線32とゲート電極あるいは半導体領域とを接続するための接続孔30を形成する。接続孔30は前記接続孔19,21の形成時と同様に窒化シリコン膜8や窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14と、酸化シリコンからなる第2サイドウォールスペーサ15および酸化シリコンからなる絶縁膜18との選択比を大きくした条件で行う。そして、接続孔30内に接続部材31を形成する。接続部材31はたとえばスパッタ法でチタン(Ti)膜を10〜50nmとチタンナイトライド(TiN)膜を約100nm形成した後にCVD法でタングステン(W)膜を形成し、ドライエッチングあるいはCMP法で接続孔30以外の前記タングステン膜を除去する。
さらに、第一の配線32を形成する。第一の配線はスパッタ法によりチタンナイトライド(TiN)膜と銅(Cu)を含むアルミニウム(AL)膜の積層膜で形成することができる。
最後に、絶縁膜33、接続孔34、接続部材35、第二の配線36、絶縁膜37、接続孔38、接続部材39と第二の配線40を順次形成する。絶縁膜33と37は前記絶縁膜23と同様に形成する。接続孔34と38は前記接続孔30と同様に形成する。接続部材35と39および第二の配線36と第三の配線40は前記接続部材31および第一の配線32と同様に形成する。そしてプラズマCVD法により、窒化シリコンあるいはその下部に酸化シリコンからなる積層のパッシベーション膜41を形成した後、ボンディング領域42を形成して図1に示す半導体集積回路装置がほぼ完成する。
(実施の形態2)
図26は、本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図である。
本実施の形態2の半導体集積回路装置が前記実施の形態1の半導体集積回路装置と異なる点は、NチャネルMISFETQn1、NチャネルMISFETQn2およびPチャネルMISFETQp1の上部に窒化シリコン膜104が形成され、この窒化シリコン膜104を接続孔30を形成する時のエッチングストッパとして使用している点である。したがって、その他の構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。本実施の形態2の半導体集積回路装置では、窒化シリコン膜104を設けているため、たとえば図26においてPチャネルMISFETQp1の右側に示すように接続孔30の一部がフィールド絶縁膜2に重なっても、接続孔30の開口の際にフィールド絶縁膜2を過剰にエッチングすることがなく、過剰エッチングに起因するリーク電流等を発生せず、半導体集積回路装置の性能と信頼性を保持することができる。
本実施の形態2の半導体集積回路装置の製造方法の一例を図27〜図29を用いて説明する。図27〜図29は、本実施の形態2の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図である。
実施の形態1の製造方法と同様に、図16に示す選択MISFETQs、NチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1を形成した後、NチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1の上層に約50nmの膜厚の窒化シリコン膜104を堆積する。次に、フォトレジスト等をマスクにして、少なくともDRAMのメモリセルの接続孔19,21が形成される領域の窒化シリコン膜104を除去する。(図27)。
その後、絶縁膜18、ビット線BL、情報記憶用蓄積容量素子Cを形成するまでは、実施の形態1と同様である。その後、接続孔30を開口するに際して、まず、第1段階のエッチングを行う(図28)。第1段階のエッチングでは、窒化シリコンに対して酸化シリコンのエッチング速度が高いいわゆるエッチング選択比の大きくなる条件でエッチングする。これにより、接続孔30は、窒化シリコン膜104の上面まで確実に開口することができる。また、この第1段階のエッチングの際には、窒化シリコン膜104がエッチングストッパとして作用するため、オーバーエッチングの危険を考慮する必要がなく、十分な時間のエッチングを行ってプロセスマージンを大きくとることができる。
次に、第2段階のエッチングを行って、接続孔30の底面の窒化シリコン膜104をエッチングする(図29)。この第2段階のエッチングの条件は、窒化シリコンがエッチングされる条件とするが、酸化シリコンに対してエッチング選択比がとれる必要はない。この時のエッチング量を窒化シリコン膜104の膜厚よりも若干だけ多くする。たとえば窒化シリコン膜104の膜厚の110〜130%にする。このようなエッチングはCF4とCHF3の混合にArスパッタを併用することで達成できる。この結果フィールド絶縁膜2がほとんどエッチングされない。これによりエッチングされた接続孔30の底面がソースおよびドレインを構成する半導体領域よりも深い位置に来ることがなくなる。すなわち、窒化シリコン膜104の膜厚はフィールド絶縁膜2の膜厚に対して十分に薄い膜厚とすることができ、窒化シリコン膜104を十分にエッチングするためにオーバーエッチングを行ったとしても、フィールド絶縁膜2がエッチングされる量は、高々窒化シリコン膜104の膜厚の半分以下であり、このようなオーバーエッチングはプロセス上ほとんど問題とはならない。
このように窒化シリコン膜104を用いて2段階のエッチングを行うことにより、接続孔30を確実にかつ十分なプロセスマージンをもって開口することができ、半導体集積回路装置の性能と信頼性を保持することが可能となる。
なお、この後の製造方法は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(実施の形態3)
図30は、本発明のさらに他の実施の形態である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図である。
本実施の形態3の半導体集積回路装置が実施の形態1および実施の形態2と異なる点は、少なくともDRAMのメモリセルの選択MISFETQsのソースおよびドレインを構成する低濃度N形半導体領域9を除く、半導体領域の上部にシリサイド層105が形成されていることである。また本実施の形態3においては実施の形態2と同様に窒化シリコン膜104も設けられている。これにより、DRAMのメモリセルのリーク電流を増加することなく、MISFETQn1,Qn2,Qp1のソースおよびドレインを構成する半導体領域の寄生抵抗を低減してMISFETQn1,Qn2,Qp1を高性能化できる。
次に、本実施の形態3の半導体集積回路装置の製造方法の一例を図31〜図33を用いて説明する。図31〜図33は、本実施の形態3の半導体集積回路装置の製造方法の一例をその工程順に示した断面図である。
まず、実施の形態1と同様に、図16に示す高濃度N形半導体領域16,16bと高濃度P形半導体領域17まで形成する。次に絶縁膜106を形成した後、フォトレジスト等をマスクにして、少なくともDRAMのメモリセルの以外の絶縁膜106を除去する(図31)。なお、絶縁膜106の形成以前に半導体領域の上部に絶縁膜がある場合には、絶縁膜106を形成せずに前記絶縁膜の選択的な除去に代えることができる。
次に、たとえばチタン(Ti)またはコバルト(Co)からなる金属膜107をスパッタ法等により全面に堆積する(図32)。次に、約500℃の不活性雰囲気で第一のシリサイド反応を行った後、半導体領域以外の未反応な金属膜107を除去する。次に700〜900℃の不活性雰囲気で第二のシリサイド反応を行い低抵抗化し、シリサイド層105を形成する(図33)。これにより、DRAMのメモリセルの選択MISFETQsのソースおよびドレインを構成する低濃度N形半導体領域9を除くMISFETQn1,Qn2,Qp1のソースおよびドレインを構成する半導体領域上にシリサイド層105が形成される。なお、出力回路の出力MISFET、入力保護用MISFETのソースおよびドレインを構成する半導体領域上にはシリサイド層105を設けなくてよい。
その後の工程は、実施の形態2における図27以降の工程と同様であるため、説明を省略する。
(実施の形態4)
図34は、本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図である。
本実施の形態4の半導体集積回路装置は、実施の形態1の図3のブロック図においてROMとしてフラッシュメモリを使用した場合の例であり、図34において領域Aおよび領域Bは、各々実施の形態1の領域Aおよび領域Bと同様である。そのため該当部分の説明は省略する。
図35は、図34における領域Cおよび領域Dの拡大図である。また、図36は、本実施の形態4の半導体集積回路装置に含まれる電気的に書き換え可能な一括消去形不揮発性メモリいわゆるフラッシュメモリのメモリアレイ領域の平面図であり、図37は、フラッシュメモリの部分の等価回路図である。以下図35〜図37に基づいて説明する。
本実施の形態4のフラッシュメモリは、1ビットのメモリセルがトンネル絶縁膜202、フローティングゲート電極203、層間絶縁膜204、ワード線と一体に構成された制御ゲート電極7、P形ウエル領域5(チャネル形成領域)とソースおよびドレインを構成する一対のN形半導体領域を有するフローティングゲート形MISFETQfから構成されている。
フローティングゲート形MISFETQfのソースは実施の形態1におけるNチャネルMISFETQn1と同様な低濃度N形半導体領域10、その下部のP形半導体領域11および高濃度N形半導体領域16から形成されている。フローティングゲート形MISFETQfのドレインは高濃度N形半導体領域205から形成されている。トンネル絶縁膜202はその膜厚が9〜10nmに設定されている。高濃度N形半導体領域205は、低濃度N形半導体領域10よりも高い不純物濃度を有し、かつ、情報書き込み時にフローティングゲート電極203下において、高濃度N形半導体領域205の表面がデプレション化するのを低減する程度に高い不純物濃度を有する。
フローティングゲート形MISFETQfのドレインは接続孔30を介して第一の配線32に接続されている。第一の配線32は本実施の形態4では副ビット線subBLを構成している。副ビット線subBLには16ビット〜64ビットのメモリセルが選択MISFETQsfを介して、第二の配線36からなる主ビット線BLに接続されている。すなわち本実施の形態4のフラッシュメモリは選択MISFETQsfでブロックに分割された構成となっている。ブロック選択線tWL1,tWL2は、選択MISFETQsfのゲート電極203と一体に構成される。
またメモリセルのソースは接続孔21を介してソース線SLに接続され、前記の分割された単位毎にブロック共通ソース線BSLに接続されている。
ブロックの選択は選択MISFETQsfで行う。すなわち、メモリセルへの主ビット線BLの電位の供給は主ビット線BLの電位を選択MISFETQsfを介して行う。図36に示すように、ワード線MWL(7)、ブロック選択線tWL1,tWL2、ソース線SLは、第1方向に延在し、副ビット線subBL(32)は、第2方向に延在する。
選択MISFETQsfはゲート絶縁膜201と、フローティングゲート電極203と同層のゲート電極203と、ソースおよびドレインを構成する高濃度N形半導体領域205とから構成される。図34においてゲート電極が2層構造となっているが、図示しない領域においてワード線と一体に構成された制御ゲート電極7は第一の配線32に接続され、さらに第三の配線40によりシャントされている。ゲート絶縁膜201の膜厚は約20nmに設定されている。
フローティングゲート形MISFETQfのソースおよびドレインへ接続するための接続孔21,30は、後述する図45、図46に示すように、実施の形態1の接続孔19,21と同様に窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合で形成される。また、これらのメモリセルは次に述べる書き込みと消去の動作を行うためにN形半導体領域3で分離されている。
本発明のフラッシュメモリの書き込みはフローティングゲート電極203から電子を放出してしきい値(Vth)を下げることで行う。すなわち、制御ゲート電極7に9V程度の負電圧を加える。そしてドレインに7V程度の正電圧を加えることでトンネル絶縁膜を介したFN(ファウラーノルドハイム)トンネルにより、フローティングゲート電極203からドレインである高濃度N形半導体領域205へ電子を放出してしきい値(Vth)を下げる。
消去はフローティングゲート電極203に電子を注入してしきい値を上げることで行う。すなわち、制御ゲート電極7に9V程度の正電圧を加える。そしてソースおよびP形ウエル領域5に9V程度の負電圧を加えることでトンネル絶縁膜を介したFNトンネルにより、チャネル領域に形成される反転層からフローティングゲート電極に電子を注入し、しきい値を上げる。
NチャネルMISFETQn3とPチャネルMISFETQp2はフラッシュメモリの書き込みと消去を行う回路に使用するMISFETである。
このような半導体集積回路装置により、フラッシュメモリを搭載した場合でも第1サイドウォールスペーサ14および第2サイドウォールスペーサ15を形成してそのメモリセル領域を微細化し、周辺回路領域のMISFETQn1,Qn2,Qn3,Qp1,Qp2に最適なLDD構造を形成することが可能となり、半導体集積回路装置の微細化と性能向上をともに実現することができる。
次に、本実施の形態4の半導体集積回路装置の製造方法の一例を図38〜図46を用いて説明する。図38〜図46は、本実施の形態4の半導体集積回路装置の製造方法の一例を工程順に示した断面図または平面図である。
まず、実施の形態1と同様に、フィールド絶縁膜2、N形半導体領域3、N形ウエル領域4とP形ウエル領域5を形成する。フィールド絶縁膜2を形成した後のフラッシュメモリ領域の平面図を図38に示す。
次に、図39および図40に示すように、熱酸化法によりゲート絶縁膜201を形成する。そして選択MISFETQsf、NチャネルMISFETQn3とPチャネルMISFETQp2以外のゲート絶縁膜201を除去した後、新たにトンネル絶縁膜202を熱酸化法により形成する。このようにゲート絶縁膜201を除去した後にトンネル絶縁膜202を形成することにより、ゲート絶縁膜201の膜厚よりも薄い膜厚のトンネル絶縁膜202を容易に形成することができる。そして、フラッシュメモリのフローティングゲート電極203、選択MISFETQsf、NチャネルMISFETQn3とPチャネルMISFETQp2のフローティングゲート電極203となる導電体206を形成する。導電体206は低抵抗化のためのリン等の不純物を注入したシリコン膜で形成する。この後、フォトレジストをマスクにしてパターニングを行う。
次に、図41に示すように、フラッシュメモリのフローティングゲート電極203と制御ゲート電極7の間の層間絶縁膜204を形成する。層間絶縁膜204は酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを順次積層した多層膜で形成する。次にDRAMメモリセルの選択MISFETQs、NチャネルMISFETQn1、NチャネルMISFETQn2とPチャネルMISFETQp1の形成される領域の層間絶縁膜204を選択的に除去する。そして、層間絶縁膜204の上部の窒化シリコン膜を耐酸化のマスクとして使用し、実施の形態1と同様にしてゲート絶縁膜6を形成する。
次に、図42および図43に示すように、制御ゲート電極7とその上部の窒化シリコン膜8を形成して、フォトレジストをマスクにパターニングを行う。これにより、フラッシュメモリのフローティングゲート電極203および制御ゲート電極7を形成する。
この後の工程は、実施の形態1における図10以降の工程とほぼ同様である。すなわち、図44に示すように、第1サイドウォールスペーサ14および第2サイドウォールスペーサ15をDRAMのメモリセル領域に形成すると同時にフラッシュメモリのメモリセル領域にも形成する。これにより工程を短縮することができる。
次に、実施の形態1と同様にして、絶縁膜18を形成した後、図45に示すように、接続孔21を形成する。
次に、絶縁膜23を形成した後、図46に示すように、接続孔30を形成する。
接続孔21,30は、実施の形態1の接続孔19,21と同様に、窒化シリコンからなる第1サイドウォールスペーサ14に対して自己整合的に形成されるため、第2方向におけるワード線WL(ゲート電極7)の間隔t3、ワード線WL(ゲート電極7)とブロック選択線tWL1,tWL2との間隔t3、ブロック選択線tWL1,tWL2間の間隔t3を縮小することができ、第2方向において微細化することができる。
また、第2方向における合わせ余裕を小さくすることができるので、第2方向において微細化することができる。すなわち、第2方向におけるメモリセル間の間隔を縮小することができ、高集積化をすることができる。
次に、実施の形態1と同様にして第1の配線32を形成する。これにより、DRAMメモリセルのビット線BLとフラッシュメモリのソース線SLとを同一工程で形成することができので、工程を短縮することが可能である。
本実施の形態4の半導体集積回路装置の製造方法によれば、フラッシュメモリが搭載された半導体集積回路装置を実施の形態1と同様に製造することができ、フラッシュメモリにおいてメモリセルアレイを高集積化することができる。また、MISFETの要求に応じてゲート絶縁膜の膜厚を変えることができる。
なお、本実施の形態4の半導体集積回路装置および製造方法に、実施の形態2〜3で説明した窒化シリコン膜104あるいはシリサイド層105を組み合わせてもよいことはいうまでもない。また、本実施の形態4では、DRAMおよびフラッシュメモリの双方を有する半導体集積回路装置について説明したが、フラッシュメモリのみを有する半導体集積回路装置にも本発明が適用できることはいうまでもない。
(実施の形態5)
図47は、本発明のさらに他の実施の形態である半導体集積回路装置の一例をその要部について示した断面図である。
本実施の形態5の半導体集積回路装置が実施の形態1の半導体集積回路装置と異なる点は、第1サイドウォールスペーサ14の代わりに窒化シリコン膜(第1サイドウォールスペーサ)207が形成されている点である。したがって、その他の構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。本実施の形態5の半導体集積回路装置では、厚さt1の窒化シリコン膜(第1サイドウォールスペーサ)207を設けているため、実施の形態1と同様にメモリセル領域の集積度を向上するとともに、第2サイドウォールスペーサ15によりメモリセル領域以外のMISFETのLDD構造を最適化して半導体集積回路装置の性能を向上することができる。
なお、本実施の形態5の半導体集積回路装置の製造方法は、実施の形態1における図12の第1サイドウォールスペーサ14の形成工程の代わりに、半導体基体1の全面に窒化シリコン膜207を堆積する工程を置き換えることにより行うことができる。このため、異方性エッチング等の工程を省略し、工程を簡略化することができる。ただし、接続孔19、21の開口の工程においては、実施の形態2で説明したような2段階のエッチングが必要となる。このため、工程は増加するものの、接続孔19、21の底面の半導体基体1を過剰にエッチングすることがなく、コンタクトを信頼性高くすることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、上記実施の形態1〜5では、Complementary(相補形)MISFETにより周辺回路あるいはロジック回路を構成した例を説明したが、NチャネルMISFETあるいはPチャネルMISFETのみで周辺回路等を構成してもよい。
また、上記実施の形態1〜5では、DRAMのメモリセル領域の選択MISFETQsのゲート絶縁膜の膜厚をNチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1のゲート絶縁膜の膜厚と同じものとした例を示したが、これらゲート絶縁膜の膜厚を相互に異なるものとしてもよい。特に、NチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1のゲート絶縁膜の膜厚を選択MISFETQsのゲート絶縁膜の膜厚よりも薄くすると、NチャネルMISFETQn1,Qn2およびPチャネルMISFETQp1をさらに短チャネル化することが可能となり、半導体集積回路装置の性能をより向上することとが可能である。この際のゲート絶縁膜の製造方法は、実施の形態4で説明したフラッシュメモリ領域とDRAM領域とのゲート絶縁膜を別工程で形成した方法と同様の製造方法を用いることができる。
また、上記実施の形態1〜5のメモリセルは、DRAMまたは不揮発性メモリであるフラッシュメモリを用いて説明したが、これに限定されず、SRAM(Static RAM)、マスクROM等、たとえばワード線間にサイドウォールスペーサを用いて自己整合的に導電対をMISFETのソースまたはドレイン領域に接続させるメモリセル構造に適用して良いのは無論である。
(実施の形態6)
図50(a)は、本発明の一実施の形態であるDRAMの一例をそのメモリセル領域について示した断面図であり、(b)は、周辺回路領域について示した断面図である。また、図51は、本実施の形態6のDRAMのメモリセル領域の平面図である。さらに、図52は、本実施の形態6のDRAMのメモリセル領域の断面図であり、(a)は、図51におけるIIIa-IIIa線断面、(b)は、図51におけるIIIb-IIIb線断面を示す。なお、図51において、図面を見やすくするため、一部の部材についてはハッチングを施し、あるいは破線で示しており、図51におけるIa-Ia線は、図50(a)に示す断面図の切断部を示す。
本実施の形態6のDRAMのメモリセル領域には、半導体基板301の主面上にメモリセルの選択用MISFETQtが形成され、選択用MISFETQtに接続される電荷蓄積用の容量素子およびビット線BLが形成されている。
また、DRAMの周辺回路領域には、周辺回路を構成するn形MISFETQnが形成されている。なお、周辺回路にp形MISFET(図示せず)を形成し、n形MISFETQnとp形MISFETとでCMISFETを構成してもよい。また、n形MISFETQnの他に、高耐圧用のn形MISFET(図示せず)を形成してもよい。
半導体基板301は、たとえばp-形のシリコン(Si)単結晶からなり、その主面には浅溝302aが形成されている。また、浅溝302aには、たとえば二酸化シリコン(SiO2)からなる素子分離用絶縁膜302bが埋め込まれ、浅溝素子分離領域が形成されている。
半導体基板301の上部には、pウェル303が形成されている。pウェル303には、たとえばp形不純物のホウ素が導入されている。また、メモリセルの選択用MISFETQtが形成される領域のpウェル303の下部にはディープウェル303bが形成されている。ディープウェル303bには、n形不純物のリンが導入されており、選択用MISFETQtを基板電位から絶縁して、耐ノイズ性を向上することができる。
なお、p形MISFETが形成される場合には、p形MISFETが形成される領域にたとえばリンが導入されたnウェル(図示せず)が形成される。また、pウェル303およびそれが存在する場合にはnウェルには、MISFETのしきい値制御層が形成されていてもよい。
メモリセルの選択用MISFETQtは、素子分離用絶縁膜302bで囲まれた活性領域上に形成され、1つの活性領域に2個の選択用MISFETQtが形成されている。また、選択用MISFETQtは、pウェル303の活性領域上に形成されたゲート絶縁膜304を介して半導体基板301上に形成された多結晶シリコン膜305aおよびタングステンシリサイド(WSi2)膜305bからなるゲート電極305と、ゲート電極305の両側のpウェル303に互いに離間して形成された一対のn形半導体領域306a,306bとを有する。
ゲート電極305は、DRAMのワード線WLとして作用するものである。また、n形半導体領域306a,306bにはn形不純物が導入されるが、リンまたはヒ素(As)の何れの不純物が導入されてもよい。ただし、選択用MISFETQtのチャネル間耐圧を向上してDRAMのリフレッシュ特性を向上するためには、リンを導入することが好ましい。
n形半導体領域306aは、2個の選択用MISFETQtに共有され、また、n形半導体領域306a,306bの間に選択用MISFETQtのチャネル領域が形成される。ゲート絶縁膜304は、たとえばSiO2からなり、後に説明する周辺回路領域のn形MISFETQnのゲート絶縁膜304よりも厚くして選択用MISFETQtの絶縁耐圧を向上してもよい。このような場合には、選択用MISFETQtの絶縁耐圧が向上し、DRAMのリフレッシュ特性を向上することができる。
ゲート電極305(ワード線WLでもある)の上面は、たとえばSiO2からなる絶縁膜307aを介して、たとえば窒化シリコンからなるキャップ絶縁膜307bが形成されている。キャップ絶縁膜307bは、後に説明する接続孔311a,311bの開口工程において、接続孔をゲート電極305に対して自己整合的に開口するためのブロッキング膜として作用するものであり、プラグ等の接続部材とゲート電極305とのショートを防止するためのものである。
キャップ絶縁膜307bの上面およびゲート電極305の側面ならびに半導体基板301の主面は、接続孔311a,311bの底面部を除き、たとえばシリコン窒化膜からなる自己整合加工用絶縁膜309により被覆されている。自己整合加工用絶縁膜309は、接続孔311aおよび接続孔311bをワード線に対して自己整合的に開口する際のエッチングストッパとして作用するとともに、接続孔311aおよび接続孔311bの開口の際の半導体基板301、特に素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチングを防止する作用を有する。
なお、ゲート電極305の側面と自己整合加工用絶縁膜309との界面には、たとえばSiO2からなる絶縁膜(図示せず)が形成されていてもよい。このような絶縁膜および絶縁膜307aは、キャップ絶縁膜307bおよび自己整合加工用絶縁膜309を形成する際のWSi2膜305bを構成する金属による成膜処理装置の汚染防止、およびキャップ絶縁膜307bおよび自己整合加工用絶縁膜309への熱応力の緩和のために設けられるものである。
自己整合加工用絶縁膜309は、たとえばSOG(Spin On Glass)からなる層間絶縁膜310aによって被覆されている。層間絶縁膜310aは、BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)であってもよいが、窒化珪素膜に対してエッチング選択比が確保できる酸化珪素膜とする。そして、層間絶縁膜310aには、半導体基板301の上層部のn形半導体領域306aが露出するような接続孔311aおよび半導体基板301の上層部のn形半導体領域306bが露出するような接続孔311bが形成されている。
なお、キャップ絶縁膜307bおよび自己整合加工用絶縁膜309を、接続孔311aおよび接続孔311bを自己整合的に開口する際のエッチングストッパとして作用させることができるのは前記したとおりである。また、自己整合加工用絶縁膜309が形成され、後に説明するように接続孔311aおよび接続孔311bを、層間絶縁膜310aがエッチングされやすく(エッチング量、エッチング速度が大)自己整合加工用絶縁膜309がエッチングされにくい(エッチング量、エッチング速度が小)第1のエッチング工程と自己整合加工用絶縁膜309がエッチングされやすく、層間絶縁膜310aまたはシリコン基板または素子分離用絶縁膜302bがエッチングされにくい条件での第2のエッチング工程との2段階エッチングにより開口するため、図52(a)および(b)に示すように接続孔311aおよび接続孔311bの底部が半導体基板301の活性領域から外れ、素子分離用絶縁膜302bの一部にかかるような場合でも、そのような接続孔311aおよび接続孔311bの底部にかかる素子分離用絶縁膜302bの過剰なエッチングが防止され、接続孔311aおよび接続孔311bの底部は素子分離用絶縁膜302bの深い領域には至らない。すなわち、素子分離用絶縁膜302bが過剰にエッチングされるとしてもプロセス上問題とはならない程度、たとえば自己整合加工用絶縁膜309の膜厚相当分以下の過剰エッチングに抑えることができる。
接続孔311bには、たとえばリンが高濃度に導入された多結晶シリコンからなるプラグ314が形成されている。プラグ314の底面は、素子分離用絶縁膜302bが過剰にエッチングされた領域にも形成されるが、その深さは前記したとおりプロセス上問題とはならない程度であり、DRAMのリフレッシュ特性等の性能にはほとんど問題を生じない。
層間絶縁膜310aおよびプラグ314の上には層間絶縁膜310bが形成されている。層間絶縁膜310bはたとえばTEOS(テトラエトキシシシラン)を用いて熱CVD法により堆積したシリコン酸化膜とすることができる。
層間絶縁膜310b上には、ビット線BLが形成されている。このビット線BLは、多結晶シリコン膜312およびWSi2膜313から構成され、接続孔311aを介してn形半導体領域306aと電気的に接続されている。多結晶シリコン膜312の底面は、前記したプラグ314と同様に、素子分離用絶縁膜302bが過剰にエッチングされた領域にも形成されるが、その深さは前記したとおりプロセス上問題とはならない程度であり、DRAMの性能にはほとんど問題を生じない。
このビット線BLは、たとえばTEOSを用いて熱CVD法により堆積したシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜310cで覆われ、さらに層間絶縁膜310cの上層には、たとえばCMP法により研磨されて平坦化された層間絶縁膜310dが形成されている。層間絶縁膜310dは、たとえばTEOSを用いてプラズマCVD法により堆積したシリコン酸化膜をCMP法により研磨したものである。なお、層間絶縁膜310dは、SOGあるいはBPSG等を用いることができ、その平坦化にはエッチバック法等を用いることができる。
層間絶縁膜310d上には、たとえばシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜310eが形成されている。層間絶縁膜310eは、後に説明するクラウン形状の蓄積容量SNを形成する際のブロッキング膜となるものである。
層間絶縁膜310dの上層には、円筒形のクラウン形状を有する蓄積容量SNが形成されている。蓄積容量SNは、接続孔311cを介してn形半導体領域306bに接続される第1電極320aおよび半導体基板301に対して垂直方向に立設された第2電極320bからなるキャパシタ電極320と、キャパシタ絶縁膜321と、所定の配線と電気的に接続されているプレート電極322とから構成される。第1電極320aおよび第2電極320bは、たとえばリンが高濃度に導入された多結晶シリコン膜とすることができる。キャパシタ絶縁膜321は、たとえば窒化シリコン膜上にSiO2膜が堆積された積層膜とすることができるが、酸化タンタル等の高誘電率薄膜を用いてもよい。プレート電極322は、たとえばリンが高濃度に導入された多結晶シリコン膜とすることができるが、タングステンシリサイド等の金属化合物を用いてもよい。
なお、第1電極320aの下部には、多結晶シリコン膜320cおよび多結晶シリコンからなるサイドウォール320dが形成され、キャパシタ電極320の一部となっている。多結晶シリコン膜320cおよびサイドウォール320dは、接続孔311cを開口する際のハードマスクとして作用するものであり、接続孔311cの開口径をフォトリソグラフィの解像度以下の微小な開口径とすることができる。
一方、周辺回路領域のn形MISFETQnは、素子分離用絶縁膜302bで囲まれた活性領域上に形成され、pウェル303の活性領域上に形成されたゲート絶縁膜304を介して半導体基板301上に形成された多結晶シリコン膜305aおよびWSi2膜305bからなるゲート電極305と、ゲート電極305の両側のpウェル303に互いに離間して形成された一対のn形半導体領域306cとを有する。
ゲート電極305は、ワード線WLと同時に形成されるものである。n形半導体領域306cは、低濃度n形半導体領域306c−1と、後に説明する第2のサイドウォール323bに対して自己整合的に形成された高濃度n形半導体領域306c−2(低濃度n形半導体領域306c−1よりも高濃度)とを含むものである。すなわち、n形半導体領域306cは、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造を有するものである。また、低濃度n形半導体領域306c−1の下部の高濃度n形半導体領域306c−2とチャネル領域の間には、パンチスルーストッパとして機能するp形半導体領域306dが形成されている。n形半導体領域306cには、たとえばリンまたはヒ素が導入される。ただし、n形MISFETQnのチャネル長を短くしてその高性能化を図るためにはヒ素を導入することが好ましい。なお、高耐圧n形MISFETを形成する場合には、低濃度n形半導体領域306c−1に導入される不純物はリンとすることが好ましい。これによりチャネル間の耐圧を向上することが可能となる。
ゲート絶縁膜304は、前記した選択用MISFETQtのものと同様であるため説明を省略する。
ゲート電極305の上面に絶縁膜307aを介してキャップ絶縁膜307bが形成されていることも前記した選択用MISFETQtのものと同様であるため説明を省略する。
ゲート電極305の側面には、第1のサイドウォール323aが形成され、その外側には第2のサイドウォール323bが形成されている。
第1のサイドウォール323aは、後に説明するように自己整合加工用絶縁膜309を異方性エッチングして形成されるものであり、たとえばシリコン窒化膜からなる。この第1のサイドウォール323aは、周辺回路領域において接続孔を形成する際に、ゲート電極305に対して自己整合的に接続孔を開口するためのサイドウォールとして作用させることも可能である。
第2のサイドウォール323bは、たとえばシリコン酸化膜からなり、高濃度n形半導体領域306c−2を形成するための不純物をイオン注入する際のマスクとして作用させ、高濃度n形半導体領域306c−2を自己整合的に形成するために用いることができる。この第2のサイドウォール323bの膜厚を制御することによりLDD構造を最適化し、n形MISFETQnの性能を向上することができる。
なお、前記したとおり、半導体基板301上の自己整合加工用絶縁膜309は異方性エッチングにより除去し、周辺回路領域には自己整合加工用絶縁膜309は設けられていない。これにより周辺回路領域の接続孔の開口を2段階で行う必要がなく、容易に開口することができる。また、周辺回路領域のゲート電極305と上層の配線を接続する場合にも、その接続孔の開口を容易に行うことができる。このように周辺回路領域に自己整合加工用絶縁膜309を設ける必要がないのは、周辺回路領域に形成されるMISFETにはあまり高い集積度は要求されず、その配置間隔に余裕があるため、活性領域の形成にも余裕があり、接続孔の目外れを考慮して設計することができることに基づく。したがって、周辺回路領域にも高い集積度が要求される場合には、実施の形態2で説明したエッチングストッパ104を第2のサイドウォールス323b形成後に周辺回路領域に選択的に形成してもよいことはいうまでもない。
また、p形MISFETが形成される場合には、前記n形MISFETQnの場合と導電性を逆にした構成で、同様に構成されることもいうまでもない。
また、ゲート電極305の側面と第1のサイドウォール323aとの界面には、たとえばSiO2からなる絶縁膜(図示せず)が形成されていてもよく、このような絶縁膜および絶縁膜307aは、キャップ絶縁膜307bおよび第1のサイドウォール323aを形成する際のWSi2膜305bを構成する金属による成膜処理装置の汚染防止、およびキャップ絶縁膜307bおよび第1のサイドウォール323aへの熱応力の緩和のために設けられるものである。
n形MISFETQnは、たとえばTEOSを用いて熱CVD法により堆積したシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜310fで覆われ、さらに層間絶縁膜310fの上層には、たとえばCMP法により平坦化された層間絶縁膜310gが形成されている。層間絶縁膜310gは、たとえばTEOSを用いてプラズマCVD法により堆積したシリコン酸化膜とすることができる。なお、層間絶縁膜310gは、SOGあるいはBPSG等を用いることができ、その平坦化にはエッチバック法等も用いることができる。
層間絶縁膜310g上には、前記した層間絶縁膜310bが形成され、層間絶縁膜310b上には、前記したビット線BLが形成されている。また、ビット線BLは、前記した層間絶縁膜310cで覆われ、さらに層間絶縁膜310cの上層には、前記した層間絶縁膜310dが形成されている。
層間絶縁膜310dおよびプレート電極322の上層には、たとえばBPSGからなる層間絶縁膜324が形成されている。層間絶縁膜324は、リフローにより平坦化されている。
周辺回路領域の層間絶縁膜324上には第1配線層325が形成されている。第1配線層325は、接続孔326を介してn形MISFETQnの高濃度n形半導体領域306c−2に接続されている。第1配線層325は窒化チタン、チタンあるいはアルミニウム等金属膜の積層膜とすることができ、たとえばスパッタ法により堆積することができる。なお、接続孔326内に、たとえばタングステンからなるプラグを形成してもよい。タングステンプラグはタングステンCVD法により形成することができる。この際、窒化チタンを接着層として接続孔326内にあらかじめ形成することが好ましい。
第1配線層325は、層間絶縁膜327により覆われ、層間絶縁膜327上には第2配線層328が形成されている。第2配線層328は接続孔329を介して第1配線層325に接続される。層間絶縁膜327は、たとえばシリコン酸化膜とSOGからなるシリコン酸化膜とすることができるが、そのシリコン酸化膜をTEOSを用いてプラズマCVD法により堆積されたシリコン酸化膜でサンドイッチした構成の積層膜とすることが好ましい。なお、第2配線層328は第1配線層325と同様の構成とすることができる。
第2配線層328は、層間絶縁膜330により覆われ、層間絶縁膜330上には第3配線層331が形成されている。第3配線層331は接続孔332を介して第2配線層328に接続される。層間絶縁膜330は層間絶縁膜327と同様の構成とすることができ、第3配線層331は第1配線層325と同様の構成とすることができる。
第3配線層331はパッシベーション膜333により覆われている。パッシベーション膜333はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜とすることができる。
次に、前記DRAMの製造方法について、図53〜図79を用いて説明する。図53〜図79は、本実施の形態6のDRAMの製造方法の一例を工程順に示した断面図である。なお、図53〜図79は、図63、図65、図67、図69、図71を除き、(a)において図51におけるIa-Ia線断面に相当する部分を表し、(b)において周辺回路領域の断面を表す。また、図63、図65、図67、図69、図71は、(a)において図51におけるIIIa-IIIa線断面に相当する部分を表し、(b)において図51におけるIIIb-IIIb線断面に相当する部分を表す。
まず、図53に示すように、半導体基板301の所定領域に浅溝素子分離領域を形成する。浅溝素子分離領域は、半導体基板301の主面に図示しない酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を順次形成する。そしてフォトレジスト等により浅溝302aの形成領域の前記酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを除去した後、半導体基板301を深さ方向にたとえば0.3〜0.4μmの溝を形成する。次に前記窒化シリコン膜を酸化マスクとして前記溝の側面と底面に熱酸化シリコン(図示せず)を形成する。そして、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により半導体基板301の全面にシリコン酸化膜を堆積した後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法あるいはドライエッチング法により浅溝302a以外の領域の前記シリコン酸化膜を除去して、浅溝302aにシリコン酸化膜を選択的に埋め込む。
なお、酸化性雰囲気で素子分離用絶縁膜302bのデンシファイを行うことが好ましい。そして、前記窒化シリコン膜を熱リン酸により除去し、素子分離用絶縁膜302bを形成する。この際、素子分離用絶縁膜302bも熱リン酸により若干エッチングされて半導体基板301の活性領域よりも低くなる。これによりゲート電極305のパターニングが良好となり、MISFETの性能を向上することができる。
次に、図54に示すように、フォトレジストをマスクにして、n形不純物たとえばリンをイオン注入により半導体基板301のメモリセルアレイの形成領域に導入し、次いで、上記フォトレジストを除去した後に、p形不純物たとえばボロンをイオン注入により半導体基板301のメモリセルアレイの形成領域およびn形MISFETQnが形成される領域に導入する。さらに、上記フォトレジストを除去した後に、半導体基板301に熱拡散処理を施すことによりディープウェル303bおよびpウェル303を形成する。なお、p形MISFETを形成する場合には、当該領域にたとえばリンを導入し、nウェルを形成する。
なお、チャネル領域での不純物濃度を最適化して、所望するメモリセル選択用MISFETQtあるいはn形MISFETQnのしきい値電圧を得るために、pウェル303の活性領域の主面にp形不純物たとえばボロンをイオン注入することができる。
次に、図55に示すように、半導体基板301の表面にゲート絶縁膜304を形成する。このゲート絶縁膜304は熱酸化法で形成され、その膜厚は約7nmである。さらに、半導体基板301の全面にリンが導入された多結晶シリコン膜305aおよびWSi2膜305bを順次堆積する。多結晶シリコン膜305aおよびWSi2膜305bはCVD法で形成され、これらの膜厚は、たとえばそれぞれ40nmおよび100nmである。次に、WSi2膜305b上に酸化シリコン膜からなる絶縁膜307aおよび窒化シリコン膜からなるキャップ絶縁膜307bを順次堆積する。絶縁膜307aおよびキャップ絶縁膜307bはCVD法で形成され、これらの膜厚は、たとえばそれぞれ10nmおよび160nmである。
次に、図56に示すように、フォトレジストをマスクにして、キャップ絶縁膜307b、絶縁膜307a、WSi2膜305bおよび多結晶シリコン膜305aからなる積層膜を順次エッチングすることにより、多結晶シリコン膜305aおよびWSi2膜305bからなるメモリセルの選択用MISFETQtおよび周辺回路用MISFETQnのゲート電極305を形成する。
次に、上記フォトレジストを除去した後、半導体基板301に熱酸化処理を施すことにより、ゲート電極305を構成する多結晶シリコン膜305aおよびWSi2膜305bの側壁に薄い酸化シリコン膜を形成することができる。
次に、図57に示すように、上記積層膜およびフォトレジストをマスクにして、周辺回路領域のn形MISFETQnが形成される領域のpウェル303の主面にp形不純物たとえばボロンをイオン注入し、次いでn形不純物たとえばヒ素をイオン注入する。さらに上記フォトレジストを除去した後、上記積層膜およびフォトレジストをマスクにして選択用MISFETQtが形成されるpウェル303の主面にn形不純物たとえばリンをイオン注入する。これら不純物を引き伸ばし拡散することにより、n形MISFETQnの低濃度n形半導体領域306c−1およびp形半導体領域306dならびに選択用MISFETQtのn形半導体領域306a,306bを形成する。なお、高耐圧用のn形MISFETを形成する場合には当該領域にリンを注入する。また、p形MISFETを形成する場合には、当該領域にパンチスルーストッパ用のヒ素および低濃度半導体領域用のボロン(BF2)を注入する。周辺回路用のMISFETQnの低濃度n型半導体領域306c−1およびメモリセル選択用MISFETQtのn型半導体領域306a、306bは、ゲート電極に自己整合的に形成される。
次に、図58に示すように、シリコン窒化膜334を堆積する。シリコン窒化膜334の膜厚はたとえば80nmとすることができる。次いで、SOG膜335を堆積し、その後、フォトレジストでメモリアレイ領域をマスクして、SOG膜335およびシリコン窒化膜334をエッチングする。前記エッチングは、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを用いることができ、これにより周辺回路領域のSOG膜335およびシリコン窒化膜334を除去し、メモリアレイ領域に自己整合加工用絶縁膜309および層間絶縁膜310aを形成する。層間絶縁膜310aは、SOGからなるため、ゲート電極305、キャップ絶縁膜307bにより形成された表面の凹部を埋め込んで平坦化することができる。また、エッチングには異方性エッチングを用いるため、周辺回路領域のn形MISFETQnのゲート電極305およびキャップ絶縁膜307bの側面には、シリコン窒化膜からなる第1のサイドウォール323aが形成される。
次に、図59に示すように、半導体基板301の全面にTEOSシリコン酸化膜(図示せず)を形成し、これを異方性エッチングでエッチングして、第1のサイドウォール323aの側面に第2のサイドウォール323bを形成する。第2のサイドウォール323bの厚さ(幅)は、第1のサイドウォール323aの厚さ(幅)よりも大とする。これにより、メモリセルの微細化と周辺回路用MISFETの特性向上を図ることができる。
次に、図60に示すように、ゲート電極305、キャップ絶縁膜307bおよび第2のサイドウォール323bならびにフォトレジストをマスクにして、周辺回路領域のn形MISFETQnが形成される領域にn形不純物たとえばヒ素およびリンをイオン注入する。さらに上記フォトレジストを除去した後、不純物を引き伸ばし拡散することにより、n形MISFETQnの高濃度n形半導体領域306c−2を形成する。なお、p形MISFETを形成する場合には、当該領域に高濃度半導体領域用のボロン(BF2)を注入する。この高濃度n形半導体領域306c−2は、第2のサイドウォール323bに対して自己整合で形成される。
次に、図61に示すように、TEOSシリコン酸化膜を堆積し、層間絶縁膜310fを形成する。さらにプラズマCVD法によりTEOSを用いてシリコン酸化膜を堆積し、前記シリコン酸化膜をCMP法(研磨)により平坦化して層間絶縁膜310gを形成する。メモリセル部は、SOG膜335を残したまま、TEOSシリコン酸化膜310fおよび酸化シリコン膜を堆積し、CMP法により平坦化する。平坦化後、メモリセル部には、SOG膜335、TEOSシリコン酸化膜310fおよび研磨された酸化シリコン膜が残る。この3層の絶縁膜を層間絶縁膜310gと称す。
次に、図62〜図65に示すように、フォトレジストをマスクとして層間絶縁膜310aをエッチングし、接続孔311bを形成する。接続孔311bの開口は、2段階のエッチングにより行う。
まず、第1のエッチング工程として、シリコン酸化膜がエッチングされやすく、シリコン窒化膜がエッチングされにくい条件でエッチングを行う。このようなエッチングは、たとえばC4F8およびアルゴンを含む混合ガスを原料ガスとした異方性プラズマエッチングにより実現することが可能である。この第1のエッチング工程では、シリコン窒化膜がエッチングされにくい条件であるためシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜310aのエッチングはシリコン窒化膜からなる自己整合加工用絶縁膜309が露出する段階まで進行する。この状態を図62および図63に示す。すなわち、自己整合加工用絶縁膜309は、第1のエッチング工程でのエッチングストッパとして機能する。
次に、第2のエッチング工程として、シリコン窒化膜がエッチングされる条件でエッチングを行う。このようなエッチングは、たとえばCHF3、CF4およびアルゴンを含む混合ガスを原料ガスとした異方性プラズマエッチングにより実現することが可能である。この第2のエッチング工程では、第1のエッチング工程により厚い層間絶縁膜310aがすでに除去されているため、薄い自己整合加工用絶縁膜309のみをエッチングすればよいこととなる。すなわち、自己整合加工用絶縁膜309の下地へのオーバーエッチングを抑制して、プロセスマージンの十分とれた状態でエッチングを実施することができる。つまり、シリコン窒化膜がエッチングされる条件では、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とのエッチング選択比がとれず、シリコン窒化膜をエッチングするとともに、シリコン酸化膜をエッチングしてしまうこととなるため、図65に示すように、接続孔311bの底部が素子分離用絶縁膜302bにかかる場合には、シリコン酸化膜からなる素子分離用絶縁膜302bをもエッチングしてしまうこととなる。理想的には自己整合加工用絶縁膜309のみをエッチングして、自己整合加工用絶縁膜309が除去された直後にエッチングを終了するジャストエッチとすることが望ましいが、エッチング速度の基板内分布等の存在により基板面内全ての領域で確実に接続孔311bが開口され、かつジャストエッチとすることは一般には困難である。そのため、ある程度のオーバーエッチングが必要となる。このため、接続孔311bの底部が活性領域からはみ出し素子分離用絶縁膜302bにかかる場合には、素子分離用絶縁膜302bが過剰にエッチングされる恐れがあるが、本方法では、自己整合加工用絶縁膜309が80nm程度と薄く、かつ、自己整合加工用絶縁膜309のみのエッチングでよいため、オーバーエッチングの量は自己整合加工用絶縁膜309の膜厚の30〜50%程度で十分であり、多くても自己整合加工用絶縁膜309の膜厚相当分で十分である。そのため素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチングを最小限に抑制することができ、この結果、DRAMのリフレッシュ特性等を向上してDRAMの性能を高くすることが可能である。
また、第2のエッチング工程においては、図64に示すように、ゲート電極305が自己整合加工用絶縁膜309およびキャップ絶縁膜307bにより覆われた状態となっているため、接続孔311bがゲート電極305にかかるように設計されていてもゲート電極305を露出することはなく、したがって、接続孔311bは自己整合的に開口することが可能である。すなわち、自己整合加工用絶縁膜309は、接続孔311bをゲート電極305に対して自己整合的に開口する機能とともに、素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチングを抑制する機能とを併せ持っているものである。
このような、自己整合加工用絶縁膜309を用いて2段階エッチングを行う方法は、集積度が向上され、ゲート電極305の間隔が狭くなっているDRAMにおいては特に有効である。すなわち、ゲート電極305に対する自己整合的な開口のためのサイドウォールをゲート電極305の側面に形成した場合には、さらに素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチングを抑制するためのストッパ膜を形成しようとすると、接続孔311bを形成するべきゲート電極305の間が埋まってしまうか、あるいは埋まらないにしても接続孔311bの底面積が極端に小さくなり十分な接続導電性を確保することが難しくなる。ところが、本実施の形態6の製造方法では、ゲート電極305に対する自己整合的な開口のためのサイドウォールを形成せず、自己整合加工用絶縁膜309に自己整合的な開口のための機能を持たせているため、ゲート電極305の間に十分なスペースを確保することができ、接続孔311bの開口のためのプロセスマージンを保持しつつ十分な接続信頼性を得ることが可能である。
次に、図66および図67に示すように、接続孔311bにプラグ314を形成する。プラグ314はリンが導入された多結晶シリコンとすることができ、半導体基板301の全面に多結晶シリコン膜を堆積した後に、これをエッチバックすることにより形成することができる。なお、接続孔311bの底部が素子分離用絶縁膜302bの深い部分にまで形成されることがないため、プラグ314の底面は、接続孔311bが素子分離用絶縁膜302bにかかる領域においても浅い領域で形成されており、DRAMの信頼性を向上することができる。
次に、図68および図69に示すように、半導体基板301の全面にTEOSシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜310bを形成した後、接続孔311aを形成する。接続孔311aの形成は接続孔311bと同様に2段階のエッチング工程で行う。接続孔311aにおいても、接続孔311bと同様に、素子分離用絶縁膜302bの深い部分に形成されることはない。
次に、図70および図71に示すように、リンが導入された多結晶シリコン膜312およびWSi2膜313をCVD法で順次堆積し、これをパターニングしてビット線BLを形成する。ビット線BLは、接続孔311aを通じてメモリセル選択用MISFETQtの一方のn形半導体領域306aに接続されている。多結晶シリコン膜312もプラグ314と同様に、その底面は、接続孔311aが素子分離用絶縁膜302bにかかる領域においても浅い領域で形成されており、DRAMの信頼性を向上することができる。
次に、図72に示すように、半導体基板301上に酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜310cおよび層間絶縁膜310dをCVD法で堆積した後、この層間絶縁膜310dの表面を、たとえばCMP法によって平坦化し、次いで、半導体基板301上にシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜310eを形成する。
次に、図73に示すように、シリコン酸化膜336を堆積した後、多結晶シリコン膜320cを堆積し、フォトレジストをマスクにして多結晶シリコン膜320cをパターニングする。さらに多結晶シリコン膜(図示せず)を堆積して、これを異方性エッチングによりエッチングし、サイドウォール320dを形成する。このようにサイドウォール320dを形成することにより、フォトリソグラフィの最小分解能でパターニングした多結晶シリコン膜320cの開口よりもさらに小さな口径を有する開口を得ることができる。
次に、図74に示すように、多結晶シリコン膜320cおよびサイドウォール320dをマスクとして接続孔311cを開口する。
次に、図75に示すように、半導体基板301上にリンが導入された第1電極320aおよびシリコン酸化膜337をCVD法で順次堆積する。上記第1電極320aは接続孔311c内に堆積されて、プラグ314に接続される。
次に、図76に示すように、フォトレジストをマスクにして、シリコン酸化膜337をエッチングし、続いて第1電極320aおよび多結晶シリコン膜320cを順次エッチングする。加工された第1電極320aおよび多結晶シリコン膜320cは、メモリセル領域においては情報蓄積用容量素子の蓄積電極の一部を形成する。
次に、上記フォトレジストを除去した後、図77に示すように、多結晶シリコン膜(図示せず)を半導体基板301上にCVD法で堆積し、これを異方性エッチングして第2電極320bを形成する。さらに、たとえば、フッ酸溶液を用いたウエットエッチングによりシリコン酸化膜336,337を除去して、第1電極320a、第2電極320b、多結晶シリコン膜320cおよびサイドウォール320dからなるクラウン形状のキャパシタ電極320を形成する。
次に、図78に示すように、キャパシタ電極320に粒径40nm程度の多結晶シリコン粒を成長させ、その後、窒化シリコン膜(図示せず)をCVD法で半導体基板301上に堆積し、続いて、酸化処理を施すことにより、窒化シリコン膜の表面に酸化シリコン膜を形成して、酸化シリコン膜および窒化シリコン膜からなるキャパシタ絶縁膜321をキャパシタ電極320の表面に形成する。その後、半導体基板301上に多結晶シリコン膜(図示せず)をCVD法で堆積し、この多結晶シリコン膜をフォトレジストをマスクにしてエッチングすることにより、プレート電極322を形成する。
次に、図79に示すように、BPSG膜を堆積し、これをアニールすることによって層間絶縁膜324を形成し、フォトレジストをマスクにしてエッチングすることにより接続孔326を開口する。接続孔326の開口の際には、第1のサイドウォール323aを用いて周辺回路領域のゲート電極305に対し自己整合的に接続孔326を開口することが可能である。さらに、チタン、窒化チタン、アルミニウムおよびチタンを順次堆積し、これをパターニングすることにより第1配線層325を形成する。なお、接続孔326の内面に窒化チタンを堆積し、CVD法によるタングステン膜を形成してこれをエッチバックし、タングステンプラグを形成してもよい。なお、チタン、窒化チタン、アルミニウムおよびチタンの堆積にはスパッタ法を用いることができる。
最後に、プラズマCVD法によるTEOSシリコン酸化膜を堆積し、さらにSOG膜をコートした後、プラズマCVD法によるTEOSシリコン酸化膜を堆積して層間絶縁膜327を形成する。その後、前記第1配線層の場合と同様に接続孔329、第2配線層328、層間絶縁膜330、接続孔332、第3配線層331を形成し、プラズマCVD法によるTEOSシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を堆積してパッシベーション膜333を形成し、図50に示すDRAMがほぼ完成する。
本実施の形態6のDRAMによれば、自己整合加工用絶縁膜309を用いて2段階エッチングにより接続孔311a,311bを開口するため、ゲート電極305に対して自己整合的にプラグ314およびビット線BLを形成することができるとともに、素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチングを防止し、DRAMのリフレッシュ特性等その性能を向上することができる。また、メモリセル領域においてゲート電極305の側面にサイドウォールを形成しないため、DRAMの高集積化にも対応することができる。
また、自己整合加工用絶縁膜309にゲート電極305に対する自己整合コンタクトの形成機能と素子分離用絶縁膜302bの過剰エッチング防止機能の2つの機能を併有させるため、個々の機能を実現するための個別の部材を形成する必要がなく、工程を少なくし、プロセスの増加を抑制することができる。
なお、本実施の形態6において、プラグ314を用いた例を示したが、プラグ314を用いず、キャパシタ電極320が接続孔311bを介して直接n形半導体領域306bに接続されるものであってもよい。この場合、接続孔311bの深さが相当程度に深くなるため、エッチングマージンが小さくなり、その加工が困難になるが、本実施の形態6の製造方法の2段階エッチングを用いることにより、エッチングマージンを増加し、深い接続孔の開口にも対応することが可能となる。すなわち、プラグ314を用いない場合に本発明の効果がより顕著となる。
また、前記した2段階のエッチングは連続プロセスで行ってもよいことはいうまでもない。
なお、図60において、n型MISFETQnの高濃度n型半導体領域6c−2を形成した後、実施の形態2に示す窒化シリコン膜104を周辺回路領域に選択的に形成して、その後に、図61に示すTEOSシリコン酸化膜を堆積して、層間絶縁膜310fを形成し、それに続く工程を実施することも可能である。
また、図60において、n型MISFETQnの高濃度n型半導体領域6c−2を形成した後、実施の形態3を実施することも可能である。
つまり、n型MISFETQnの高濃度n型半導体領域6c−2を形成した後、周辺回路領域上にモリブデン、コバルト等の高融点金属を堆積し、周辺回路用のn型MISFETQnの高濃度n型半導体領域6c−2の表面にシリサイド層を形成し、その後、未反応の高融点金属を除去してから、図61に示すTEOSシリコン酸化膜を堆積して、層間絶縁膜310fを形成し、それに続く工程を実施することも可能である。
また、後述する実施の形態7または8の場合にも、上記の例を適用することは可能である。
(実施の形態7)
図80および図81は、本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法の一例を示した断面図である。
本実施の形態7の製造方法は、ゲート電極305およびキャップ絶縁膜307bの形成(図57)までは実施の形態6の製造方法と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態7の製造方法は、メモリアレイ領域でのゲート電極305の配列が密な場合を示し、周辺回路領域における自己整合加工用絶縁膜309の除去をマスクなしに行う例を示したものである。
ゲート電極305およびキャップ絶縁膜307bの形成の後、図80に示すように、自己整合加工用絶縁膜309となるシリコン窒化膜を堆積し、さらにシリコン酸化膜339を堆積する。メモリアレイ領域においては、図80(a)に示すように、ゲート電極305の配列が密なためシリコン酸化膜339が凹部に完全に埋め込まれ、その表面が平坦となっている。これに対し、周辺回路領域では、図80(b)に示すように、ゲート電極305はメモリアレイ領域に比べて疎に形成されているため、凹凸形状をほぼ忠実に反映した表面形状となっている。
次に、図81に示すように、シリコン窒化膜309およびシリコン酸化膜339を異方性エッチングによりエッチングする。エッチングはシリコン窒化膜がエッチングされる条件たとえばCHF3、CF4およびアルゴンの混合ガスを用いたエッチングとする。メモリアレイ領域においてはシリコン酸化膜339の表面が平坦であるためシリコン酸化膜339の平坦表面およびキャップ絶縁膜307b表面のシリコン窒化膜309がエッチングされるのみである。このため、メモリアレイ領域においては半導体基板301の主面上にシリコン窒化膜309が残り、自己整合加工用絶縁膜309として機能する。一方、周辺回路領域においては、ゲート電極305の側面を除き、半導体基板301の主面上およびキャップ絶縁膜307bの表面のシリコン窒化膜309およびシリコン酸化膜339がエッチングされ、シリコン窒化膜309およびシリコン酸化膜339は、ゲート電極305の側面の第1のサイドウォール323aおよび第2のサイドウォール323bとして残留するのみである。
すなわち、本実施の形態7の製造方法によれば、フォトマスク等を用いなくても、メモリセルアレイ領域に自己整合加工用絶縁膜309を形成し、同時に周辺回路領域のゲート電極305の側面に第1のサイドウォール323aおよび第2のサイドウォール323bを形成することが可能である。これにより工程を簡略化することが可能となる。
なお、この後の工程は実施の形態6における図60以降の工程と同様であるため説明を省略する。
(実施の形態8)
図82〜図84は、本発明のさらに他の実施の形態であるDRAMの製造方法の一例を示した断面図である。
本実施の形態8の製造方法は、ゲート電極305およびキャップ絶縁膜307bの形成(図57)までは実施の形態6の製造方法と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態8の製造方法は、メモリアレイ領域でのゲート電極305の配列が疎な場合を示し、周辺回路領域における自己整合加工用絶縁膜309の除去をマスクを用いて行う例を示したものである。
ゲート電極305およびキャップ絶縁膜307bの形成の後、図82に示すように、自己整合加工用絶縁膜309となるシリコン窒化膜を堆積し、メモリアレイ領域にフォトマスク340を形成する。
次に、図83に示すように、フォトマスク340をマスクにして自己整合加工用絶縁膜309を異方性エッチングによりエッチングする。エッチングはシリコン窒化膜がエッチングされる条件たとえばCHF3、CF4およびアルゴンの混合ガスを用いたエッチングとする。これにより、周辺回路領域のゲート電極305の側面に第1のサイドウォール323aが形成される。
さらに、フォトマスク340を除去した後、半導体基板301の全面にシリコン酸化膜341を堆積する。
次に、図84に示すように、シリコン酸化膜341を異方性エッチングによりエッチングする。エッチングはシリコン窒化膜がエッチングされにくい条件たとえばC4F8およびアルゴンの混合ガスを用いたエッチングとすることができる。これにより、周辺回路領域のみならずメモリセルアレイ領域のゲート電極305の側面に第2のサイドウォール323bが形成される。
このような製造方法によれば、周辺回路領域の自己整合加工用絶縁膜309を除去し、ゲート電極305の側面に第2のサイドウォール323bを形成することができる。なお、第2のサイドウォール323bの厚さを調整してLDD構造を最適化することができることは実施の形態6で説明したとおりである。
なお、この後の工程は実施の形態6における図60以降の工程と同様であるため説明を省略する。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、上記実施の形態6〜8では、素子分離領域が浅溝素子分離領域の場合を説明したが、LOCOS法による厚いフィールド絶縁膜による素子分離領域であってもよい。本発明は、浅溝素子分離領域の浅溝がフィールド絶縁膜のバーズビークに比較して急峻に形成されていることから、僅かの目外れにより多大な影響を受ける可能性の大きい浅溝素子分離領域に適用して顕著な効果が得られるものではあるが、フィールド絶縁膜による素子分離領域に適用してもその効果が得られることに何ら変わりはない。
本願には、以下の発明も含まれている。
(1)本発明の半導体集積回路装置は、その主面に素子分離領域と素子分離領域に囲まれた活性領域とを有する半導体基板に、主面上に形成されたゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極、ゲート電極上に形成されたキャップ絶縁膜、およびゲート電極の両側の活性領域に形成された半導体領域を含むMISFETが形成され、MISFETとその上層に形成された導電性部材とを絶縁する層間絶縁膜を有する半導体集積回路装置であって、MISFETの全部または一部の領域におけるキャップ絶縁膜の上面および側面ならびにゲート電極の側面を含む半導体基板の主面上に、層間絶縁膜に対してエッチング選択比を有する自己整合加工用絶縁膜が形成され、自己整合加工用絶縁膜を、導電性部材と半導体領域とを接続するための接続孔をゲート電極に対して自己整合で開口するためのものであるとともに、接続孔の底部が活性領域から外れた素子分離領域にかかる部分の過剰エッチングを防止するためのものとしたものである。
このような半導体集積回路装置によれば、自己整合加工用絶縁膜をゲート電極の側面および半導体基板の主面に形成し、自己整合的に接続孔を加工するためのゲート電極のサイドウォールとして、および、半導体基板の素子分離領域の過剰エッチングを防止するためのストッパ膜として併用するため、ゲート電極の間隔が短い高集積化された半導体集積回路装置、特に高集積化されたDRAMのメモリマット領域のMISFETにおいても十分な接続孔底面の接続領域が確保できる。この結果、高集積化された半導体集積回路装置においても自己整合コンタクトの技術と素子分離領域の過剰エッチングの防止技術とをともに用いることができ、半導体集積回路装置の高集積化と高信頼性を実現することが可能となる。
(2)前記半導体集積回路装置において、自己整合加工用絶縁膜は、キャップ絶縁膜およびゲート電極の側面に接して、または自己整合加工用絶縁膜の膜厚に比較して十分薄い膜厚の薄膜を介して形成することができ、自己整合加工用絶縁膜とキャップ絶縁膜およびゲート電極の側面との間にはサイドウォールを形成する必要がない。すなわち、自己整合加工用絶縁膜をゲート電極のサイドウォールとして用いることができ、別にサイドウォールを形成する必要がない。このため、接続孔の開口マージンを増加することができ、また、工程を簡略化して工程の増加を最小限にすることができる。
(3)また、自己整合加工用絶縁膜はシリコン窒化膜とし、層間絶縁膜はシリコン酸化膜とすることができる。このように、従来半導体集積回路装置の製造工程において頻繁に使用され、その物性が熟知されたシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を用いることにより、確立された製造工程を用いて工程の設計および条件の選択を容易に行って、生産工程を速やかに立ち上げることが可能となる。
(4)また、素子分離領域は浅溝素子分離構造を有する浅溝素子分離領域、または選択酸化法を用いて形成された厚いフィールド絶縁膜を有する素子分離領域とすることができる。特に、浅溝素子分離領域の場合には、活性領域と素子分離領域との境界領域において浅溝素子分離領域が急峻に形成されているため、接続孔の形成の際の僅かな目はずれにより素子分離領域に形成される過剰エッチング部分が厚いフィールド絶縁膜等に比較して深くなり、前記目はずれによる過剰エッチングの問題が顕著となる。よって、浅溝素子分離領域を有する半導体集積回路装置の本発明を適用して素子分離領域の過剰エッチングを防止する場合には、その効果が顕著である。
(5)また、本発明の半導体集積回路装置は、DRAMのメモリマット領域を含み、自己整合加工用絶縁膜がメモリマット領域にのみ形成されているものである。すなわち、高集積化の要求が強いメモリマット領域にのみ自己整合加工用絶縁膜を形成して、メモリマット領域の高集積化と高信頼性化を実現し、比較的高集積化の要求が強くない周辺回路領域等には、自己整合加工用絶縁膜を形成しないものである。
このような半導体集積回路装置によれば、メモリマット領域においては高集積化と高信頼性化を実現するとともに、周辺回路領域等では自己整合加工用絶縁膜を形成しないため、ゲート電極と同時に形成される配線層と上層との接続孔形成工程あるいは周辺回路領域のMISFETの半導体領域と上層との接続孔形成工程を簡略化することができる。すなわち、周辺回路領域にも自己整合加工用絶縁膜を形成した場合には、半導体領域と上層との接続孔を形成する際に自己整合加工用絶縁膜をエッチングするための2段階エッチングが必要となり、また、ゲート電極と同時に形成される配線層と上層との接続孔を形成する際にゲート電極の上面に形成されているキャップ絶縁膜のエッチングに加えて自己整合加工用絶縁膜のエッチングを行う必要があり、工程が複雑化する可能性がある。しかし、本発明では、周辺回路領域には自己整合加工用絶縁膜を形成しないため、工程が複雑化することがない。
(6)また、本発明の半導体集積回路装置は、DRAMのメモリマット領域を含み、メモリマット領域以外の領域に形成されたMISFETのゲート電極の側面には、自己整合加工用絶縁膜と同一工程で堆積された絶縁膜を介して、または側面に接してサイドウォールが形成されているものである。
このような半導体集積回路装置によれば、メモリマット領域以外の領域に形成されたMISFETのLDD(Lightly Doped Drain)構造を最適化して、メモリマット領域以外の領域のMISFETの短チャネル化を実現してその性能を向上することができる。
(7)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板の主面に素子分離領域を形成する工程、(b)半導体基板の全面にゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜、ゲート電極となる多結晶シリコン膜を主とする導電膜およびキャップ絶縁膜となるシリコン窒化膜を順次堆積してそれらの積層膜を形成し、積層膜をパターニングしてゲート絶縁膜、ゲート電極およびキャップ絶縁膜を形成する工程、(c)ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入し、素子分離領域に囲まれた半導体基板の主面の活性領域に半導体領域を形成する工程、(d)半導体基板の全面に自己整合加工用絶縁膜を堆積する工程、(e)自己整合加工用絶縁膜が形成された半導体基板の全面に層間絶縁膜を堆積する工程、(f)自己整合加工用絶縁膜のエッチング速度が層間絶縁膜のエッチング速度に対して十分小さくなる条件で層間絶縁膜を選択的にエッチングし、接続孔の一部をゲート電極に対して自己整合的に開口する第1のエッチング工程、(g)接続孔の底部の自己整合加工用絶縁膜を異方性エッチングする第2のエッチング工程、を含むものである。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、ゲート電極およびキャップ絶縁膜を形成した後に、サイドウォールを形成することなく自己整合加工用絶縁膜を堆積するため、ゲート電極間のコンタクトマージンを十分にとることが可能である。この結果、半導体集積回路装置の接続孔に形成される部材と活性領域に形成される半導体領域との接続信頼性を向上することができる。
また、接続孔を第1のエッチング工程および第2のエッチング工程の2段階に分けて開口するため、接続孔をゲート電極に対して自己整合的に開口することができるとともに、接続孔の底部にかかる素子分離領域の過剰なエッチングを防止することができる。この結果、半導体集積回路装置の集積度を向上するとともに、半導体集積回路装置のMISFETの特性を向上し信頼性を向上することができる。なお、前記第1のエッチング工程および第2のエッチング工程は、連続した工程とすることができることはいうまでもない。
(8)また、(a)工程の素子分離領域の形成は、浅溝を形成した後に浅溝をシリコン酸化膜により埋め込み、シリコン酸化膜をエッチバックまたはCMP法により研磨することにより浅溝内部にのみシリコン酸化膜を残す第一の構成、または、パターニングされたシリコン窒化膜をマスクとして選択的に厚いフィールド絶縁膜を熱酸化法により形成する第2の構成、の何れかの構成とすることができる。このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、浅溝素子分離領域あるいはLOCOS法による厚いフィールド絶縁膜を有する半導体集積回路装置を製造することができる。
(9)また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法において、自己整合加工用絶縁膜をシリコン窒化膜とし、層間絶縁膜をシリコン酸化膜とし、第1のエッチング工程におけるエッチングをC4F8およびアルゴンを含む混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行い、第2のエッチング工程におけるエッチングをCHF3、CF4およびアルゴンを含む混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、第1のエッチング工程をC4F8およびアルゴンを含む混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行うため、シリコン窒化膜がエッチングされにくい条件でシリコン酸化膜をエッチングすることができ、つまりシリコン窒化膜に対して十分なエッチング選択比を有する条件でシリコン酸化膜をエッチングすることができ、接続孔領域の層間絶縁膜のエッチングをストッパ膜である半導体基板主面上の自己整合加工用絶縁膜まで、十分な加工マージンを持ってエッチングすることができる。また、第2のエッチング工程をCHF3、CF4およびアルゴンを含む混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行うため、シリコン窒化膜からなる自己整合加工用絶縁膜を容易にエッチングすることができる。第2のエッチング工程においては比較的薄いシリコン窒化膜のみをエッチングするため、十分な加工マージンをもって接続孔を開口し、その結果素子分離領域の過剰エッチングを少なくできることは前記したとおりである。
(10)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、第2のエッチング工程において、自己整合加工用絶縁膜の全膜厚分をエッチングするに必要なエッチング時間以下のオーバーエッチングを加えるものである。
このようなオーバーエッチングを加えることができるのは、前記したとおり自己整合加工用絶縁膜をストッパ膜として接続孔を2段階エッチングにより開口するためであるが、オーバーエッチングを加えることにより活性領域を若干エッチングするものの接続孔の開口を確実に行うことができ、接続孔底部での接続信頼性を向上することができる。なお、活性領域のエッチング量は、加えるオーバーエッチングが自己整合加工用絶縁膜の全膜厚分をエッチングするに必要なエッチング時間以下であるため、自己整合加工用絶縁膜の膜厚相当以下であり、自己整合加工用絶縁膜の膜厚を30〜50nmと薄くすることが可能なことから、工程上そのような過剰エッチングは問題とならない。
(11)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体集積回路装置にDRAMのメモリマット領域を含み、自己整合加工用絶縁膜の堆積の後に、メモリマット領域以外のゲート電極およびキャップ絶縁膜の側面に自己整合加工用絶縁膜を挟んでサイドウォールを形成する工程を含むものである。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、メモリマット領域以外のMISFETに適正なLDD構造を形成することが可能となる。その結果、メモリマット領域以外のMISFETたとえば周辺回路領域のMISFETの短チャネル化を行って、そのMISFETの性能を向上することが可能である。なお、周辺回路領域のゲート電極間の間隔は一般に余裕が存在するため、周辺回路領域のMISFETのゲート電極の側面に自己整合加工用絶縁膜が形成されていてもサイドウォールを形成することが可能である。
(12)また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体集積回路装置にDRAMのメモリマット領域を含み、自己整合加工用絶縁膜の堆積の後に、少なくともメモリマット領域以外の半導体基板の主面上の自己整合加工用絶縁膜を除去する工程を含むものである。
このような半導体集積回路装置の製造方法によれば、少なくともメモリマット領域以外の半導体基板の主面上の自己整合加工用絶縁膜を除去する工程を含むため、たとえばDRAMの周辺回路領域の自己整合加工用絶縁膜を除去することができ、周辺回路領域のMISFETの半導体領域あるいはゲート電極に接続する接続孔の開口を容易に行うことが可能となる。
(13)なお、サイドウォールの形成は、自己整合加工用絶縁膜の堆積の後に、メモリマット領域を覆うフォトレジストをマスクとして自己整合加工用絶縁膜をエッチングし、フォトレジストを除去した後、半導体基板の全面に絶縁膜を堆積し、絶縁膜を異方性エッチングして行うことができる。なお、自己整合加工用絶縁膜のエッチングはゲート電極の側面にサイドウォールとして残る状態の異方性エッチングでもよく、また、サイドウォールとして残らない等方性エッチングでもよい。
また、サイドウォールの形成は、自己整合加工用絶縁膜の堆積の後に、メモリマット領域に形成されたゲート電極およびキャップ絶縁膜による凹凸を埋め込む絶縁膜を堆積し、絶縁膜を異方性エッチングして行うことができる。このような場合、メモリマット領域のゲート電極間を絶縁膜により埋め込むため、その後の異方性エッチングによりメモリマット領域のゲート電極間の半導体基板主面上に形成された自己整合加工用絶縁膜がエッチングされることはなく、一方、メモリマット領域以外の領域たとえば周辺回路領域の自己整合加工用絶縁膜は、周辺回路領域のゲート電極の間隔に余裕があるためサイドウォール形成のための絶縁膜の異方性エッチングの際に同時にエッチングすることが可能である。すなわち、周辺回路領域の自己整合加工用絶縁膜のみをエッチングするためのマスク形成工程を省略することが可能である。これにより、工程を簡略化することができる。
これらの発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単にまとめて説明すれば以下のとおりである。
(1)高集積化されたDRAMのメモリセル領域においても、接続孔を自己整合的に形成するとともに、接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止することができる。
(2)接続孔を自己整合的に形成するとともに接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止する場合に、その接続孔の加工マージンを向上させることができる。
(3)接続孔を自己整合的に形成するとともに接続孔底部の素子分離領域の過剰エッチングを防止する場合に、工程の増加を抑制することができる。
(4)半導体集積回路装置の高集積化を実現するとともに、DRAMのリフレッシュ特性を向上し、メモリセル領域のトランジスタ特性を向上することができる。
本発明者が、本発明の後に行った公知例調査の結果、キャパシタの一方の電極の接続孔及びビット線接続孔をワード線に対して自己整合的に形成する技術は、特開平4−342164号公報に記載されている。
また、層間絶縁膜に対して、キャパシタの一方の電極の接続孔及びビット線接続孔を開口する際に、窒化珪素膜を設けて半導体基板又は素子分離用絶縁膜のオーバーエッチを防止する技術が、特願平8−264075号及び特願平8−344906号に開示されている。また、MOSFET上の絶縁膜に対して、ソース又はドレインへの接続孔を開口する際に、窒化珪素膜を設ける技術が特開平6−53162号公報に開示されている。
また、ゲート電極の側壁に窒化珪素膜及び酸化珪素膜からなる2重側壁膜を有する半導体装置の製法が、特開平3−276729号及び特開平6−168955号公報及び米国登録公報5,364,804号に開示されている。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明の半導体集積回路装置およびその製造方法は、微細加工、高集積化および高信頼性化に適しているものであり、特にDRAMあるいは電気的書き換え可能な不揮発性メモリまたはロジック回路とDRAMあるいは電気的書き換え可能な不揮発性メモリとが混載された高集積な半導体集積回路装置に適用して好適なものである。Technical field
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device and a manufacturing technique thereof, and in particular, high integration and high performance of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) or an electrically rewritable nonvolatile memory, or a logic circuit and a DRAM or electrical rewrite. The present invention relates to a technology that is effective when applied to a highly integrated semiconductor integrated circuit device in which a non-volatile memory capable of being mounted is mounted.
Background art
There is a DRAM as a semiconductor memory that represents a large-capacity memory. The memory capacity of this DRAM tends to increase more and more, and the area occupied by the memory cell is inevitably reduced from the viewpoint of improving the degree of integration of the memory cell of the DRAM.
However, the storage capacity value of the information storage capacitor element (capacitor) in the DRAM memory cell needs a certain amount regardless of the generation from the viewpoint of considering the operation margin of the DRAM, soft error, etc., and generally cannot be proportionally reduced. It is known.
Therefore, the development of a capacitor structure that can secure the necessary storage capacity within a limited small area is underway. As the structure, two layers of electrodes made of polysilicon or the like are stacked via a capacitive insulating film. A three-dimensional capacitor structure such as a so-called stacked capacitor is employed.
A stacked capacitor generally has a structure in which a capacitor electrode is arranged in an upper layer of a memory cell selection MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor). In this case, a large storage capacity can be ensured with a small occupied area, and it is necessary. The storage capacity to be stored is small.
As such a stacked capacitor structure, for example, a so-called capacitor over bit line (hereinafter abbreviated as COB) structure in which a capacitor is disposed above a bit line, and a capacitor is disposed below the bit line. There is a capacitor under bitline (capacitor under bitline; hereinafter abbreviated as CUB) structure.
In these COB and CUB structure DRAMs, it is necessary to form the connection hole so that the conductor film or bit line in the capacitor connection hole does not short-circuit with the word line. In consideration of misalignment of the connection holes, etc., it must be widened to some extent, which hinders the improvement of element integration and the reduction of the chip size. Therefore, in order to realize high integration, advanced alignment technology and process management are required.
Therefore, in order to avoid such a problem, the capacitor connection hole and the bit line connection hole are formed by covering the upper surface and side wall of the word line with an insulating material different from the interlayer insulating film such as a nitride film. There is a technique of forming in a self-aligned manner with respect to a word line by etching.
In the case of this technique, when the capacitor connection hole and the bit line connection hole are formed by etching, even if the connection hole covers the word line in plan view, the nitride film around the word line is an etching stopper. Therefore, the connection hole can be formed without exposing the word line from the connection hole.
A technique for forming the capacitor connection hole and the bit line connection hole in a self-aligned manner with respect to the word line is described in JP-A-9-55479.
By the way, the present inventor has studied a technique for forming the capacitor connection hole or the bit line connection hole in a self-aligned manner with respect to the word line. The following is not a known technique, but is a technique studied by the present inventor, and the outline thereof is as follows.
The aforementioned DRAM is formed by the following process flow.
First, a conductor layer is formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film. A first nitride film is deposited on the conductor layer. By patterning the first nitride film and the conductor film with the same mask, the gate electrode of the memory cell selecting MISFET and the gate electrode of the peripheral circuit MISFET are formed. Here, the gate electrodes of the plurality of memory cells arranged in the row direction of the memory cell array are integrally formed and function as a word line of the DRAM. Next, the low concentration semiconductor regions of the memory cell selection MISFET and the peripheral circuit MISFET are formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode of the memory cell selection MISFET and the gate electrode of the peripheral circuit MISFET. Next, a second nitride film is deposited on the semiconductor substrate, and anisotropic etching is performed on the second nitride film, whereby the nitride film is formed on the sidewalls of the gate electrode of the memory cell selection MISFET and the gate electrode of the peripheral circuit MISFET. Side wall spacers are formed. A high-concentration semiconductor region of the peripheral circuit MISFET is formed in a self-aligned manner with respect to the sidewall spacer. An oxide-based interlayer insulating film is deposited on the semiconductor substrate, and a bit line connection hole and a capacitor connection hole are opened in a self-aligned manner with respect to the word line in the memory cell region. The opening process of the bit line connection hole and the capacitor connection hole with respect to the interlayer insulating film is performed under the condition that the etching selection ratio between the nitride film forming the sidewall and the oxide film forming the interlayer insulating film is large. The bit line connection hole and the capacitor connection hole can be formed without exposing the word line.
On the other hand, in order to improve the degree of integration of DRAM memory cells, it is necessary to reduce the word line interval. If the above-described second nitride film is deposited on the word line having a small interval between the word lines to a predetermined thickness or more, the space between the word lines is completely filled with the second nitride film in the memory cell region. Even if anisotropic etching is performed for the formation, the surface of the semiconductor substrate is not exposed. Alternatively, there is a problem that the exposed area is very small and the contact resistance with the bit line or the capacitor electrode becomes large.
Further, the side wall spacer formed on the side walls of the gate electrode of the memory cell selection MISFET and the gate electrode of the peripheral circuit MISFET determines the length of the low concentration semiconductor region of the peripheral circuit MISFET having the LDD structure, When the width of the sidewall spacer is reduced, there are problems that the short channel effect of the peripheral circuit MISFET becomes remarkable and the punch through breakdown voltage between the source and the drain is lowered. Therefore, the film thickness of the second nitride film for forming the sidewall spacer needs to be greater than a predetermined thickness.
In other words, it is necessary to optimize the LDD structure in order to ensure the predetermined performance of the MISFET. In order to prevent the high-concentration semiconductor region of the peripheral circuit MISFET from diffusing beyond the low-concentration semiconductor region when the width of the side-wall spacer is reduced by miniaturization of the DRAM memory cell selection MISFET, The width needs to be equal to or greater than a predetermined width. That is, there is a lower limit on the width of the sidewall spacer.
On the other hand, when the miniaturization of the memory array is advanced, the interval between the gate electrodes, that is, the interval between the selection MISFETs of adjacent memory cells is inevitably reduced, and the width of the self-aligned connection portion is also reduced. Narrowing of the connection area causes a significant increase in contact resistance, so that there is a demand for making the width of the sidewall spacer as small as possible. Such a requirement is contrary to the requirement for realizing an optimized LDD structure, and in an extreme case, if an optimized LDD structure is to be realized, it is adjacent in the memory array region. There are situations where the side wall spacers overlap and self-aligned connection cannot be realized.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit technology capable of high-speed operation while miniaturizing DRAM memory cells in a semiconductor integrated circuit device mounted with a DRAM.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit technology in which a memory cell is miniaturized and highly integrated and can operate at high speed in a semiconductor integrated circuit device in which an electrically rewritable nonvolatile memory is mounted in addition to a DRAM. It is to provide.
Still another object of the present invention is to provide a high-performance semiconductor integrated circuit technology that is excellent in DRAM refresh characteristics.
Still another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor integrated circuit technology by preventing excessive etching of an element isolation region of a semiconductor substrate when a connection hole is opened.
Still another object of the present invention is to provide a technique for simplifying the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit device on which a DRAM and an electrically rewritable nonvolatile memory are also mounted.
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device in which a DRAM memory cell can be miniaturized and highly integrated, and the reliability of a peripheral circuit MISFET can be improved. To provide technology.
An object of the present invention is to provide a technique for forming a connection hole in a self-aligned manner even in a highly integrated DRAM memory cell region and preventing excessive etching of an element isolation region at the bottom of the connection hole. .
Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the processing margin of a connection hole when the connection hole is formed in a self-aligning manner and excessive etching of the element isolation region at the bottom of the connection hole is prevented. It is to provide.
Another object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing an increase in the number of steps when forming the connection hole in a self-aligning manner and preventing excessive etching of the element isolation region at the bottom of the connection hole. It is in.
Another object of the present invention is to provide a technique capable of realizing high integration of a semiconductor integrated circuit device, improving the refresh characteristics of a DRAM, and improving the transistor characteristics of a memory cell region. .
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
Disclosure of the invention
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
(1) A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a gate electrode formed on a main surface of a semiconductor substrate via a gate insulating film and a semiconductor region in contact with a channel region of the main surface of the semiconductor substrate below the gate electrode. 1 MISFET, a gate electrode formed on the main surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film, a low concentration semiconductor region in contact with a channel region of the main surface of the semiconductor substrate below the gate electrode, and provided outside the low concentration semiconductor region A second MISFET including a high-concentration semiconductor region, wherein a cap insulating film is formed on the upper surfaces of the gate electrodes of the first and second MISFETs, and on the side surfaces of the gate electrodes of the second MISFETs, Formed with a first sidewall formed of a first insulating film and a second insulating film formed of a member different from the first insulating film on the outside thereof The second sidewall is formed, and the conductor portion that connects the semiconductor region of the first MISFET and the member formed in the upper layer of the first MISFET is self-conductive to the third sidewall formed of the first insulating film. The high-concentration semiconductor region of the second MISFET formed by matching is formed by self-alignment with respect to the second sidewall formed by the second insulating film.
According to such a semiconductor integrated circuit device, the first and second insulating films are formed on the side surfaces of the gate electrode, and the first MISFET is connected to the member formed in the upper layer thereof as the first insulating film. Since the second MISFET is formed in a self-aligned manner with respect to the second sidewall formed of the second insulating film, the second MISFET is formed in a self-aligned manner. The integration degree of the integrated circuit device can be improved and the performance thereof can be improved.
That is, the self-alignment of the conductor portion connecting the semiconductor region of the first MISFET and the member formed in the upper layer of the first MISFET is secured by the third sidewall formed by the first insulating film, The position of the high-concentration semiconductor region necessary for forming the so-called LDD of the second MISFET can be optimized by the second sidewall formed of the insulating film, so that the performance of the second MISFET can be kept high. That is, as the first insulating film, a material having an etching selection ratio with respect to a silicon oxide film, which is a general interlayer insulating film material, for example, a silicon nitride film can be used, and an LDD is formed as the second insulating film. In this case, a silicon oxide film having a blocking ability of implanted ions necessary for the above can be used. For the first MISFET, the second insulating film does not become an obstacle for the self-aligned junction, For the second MISFET, the first and second insulating films can act as effective spacers for forming the LDD. Therefore, it is not necessary to design the first insulating film in consideration of the space necessary for forming the LDD structure, and it is sufficient to make the film thickness sufficient to realize self-aligned connection. Thus, the first MISFET can be formed with high integration. On the other hand, the second insulating film does not need to consider the interval between the gate electrode wirings in the first MISFET formation region. Therefore, it is possible to form a sidewall spacer spacer having a sufficient film thickness necessary for maintaining the performance of the MISFET, and to improve the performance of the second MISFET.
The first insulating film is first and third sidewall spacers made of a silicon nitride film formed on the side surface of the gate electrode, and the second insulating film is a gate sandwiching the first sidewall spacer. A second sidewall spacer made of a silicon oxide film formed on the side surface of the electrode can be obtained.
The first insulating film is a silicon nitride film formed on the semiconductor substrate including the side surface of the gate electrode, and the second insulating film is a silicon oxide film formed on the side surface of the gate electrode with the silicon nitride film interposed therebetween. The sidewall spacer can be made of In such a case, the first etching process for etching the silicon oxide film and the second etching process for etching the silicon nitride film when the connection hole for connecting to the MISFET is opened. It is possible to use a silicon nitride film as an etching stopper in the first etching process. By separating the etching process into two stages in this way, the first etching process can be surely opened, and excessive etching can be prevented in the second etching process.
Furthermore, the semiconductor integrated circuit device of the present invention may include an N-channel MISFET and a P-channel MISFET in the second MISFET and have a C (Complementary) MISFET structure. According to such a semiconductor integrated circuit device, a high performance and low power consumption semiconductor integrated circuit device can be obtained by the CMISFET structure, and not only the peripheral circuit of the DRAM but also a logic circuit is configured by the second MISFET. It is also possible to provide a memory and logic mixed type semiconductor integrated circuit device.
(2) A semiconductor integrated circuit device according to the present invention is the semiconductor integrated circuit device according to (1), wherein the first MISFET is a DRAM selection MISFET arranged in a memory array region of a DRAM cell, The member formed in the upper layer of the MISFET is a DRAM storage capacitor or bit line.
According to such a semiconductor integrated circuit device, the integration degree of DRAM memory cells is improved, the performance of the peripheral circuit formed by the second MISFET is improved, and high-performance DRAM integration capable of high-speed operation and the like is possible. It can be a circuit device.
The impurity doped in the semiconductor region of the selective MISFET is phosphorus, and the low-concentration semiconductor region or the high-concentration semiconductor region of the N-channel MISFET in the second MISFET is at least doped with arsenic. it can. The N-channel MISFET includes a first N-channel MISFET and a second N-channel MISFET. The first N-channel MISFET includes a low-concentration semiconductor region doped with arsenic and a high-concentration semiconductor doped with arsenic. The second N-channel MISFET can include a lightly doped semiconductor region doped with phosphorus and a heavily doped semiconductor region doped with arsenic. Further, the first N-channel MISFET includes a semiconductor region doped with boron in a region in contact with the high-concentration semiconductor region below the low-concentration semiconductor region, and the second N-channel MISFET includes a semiconductor region doped with boron. It can not be.
Thus, the withstand voltage of the selected MISFET can be improved by using phosphorus as the impurity doped in the semiconductor region of the selected MISFET, and the refresh current of the DRAM can be improved by reducing the leakage current between the source and drain. Can do. Further, by doping arsenic in both the low-concentration semiconductor region and the high-concentration semiconductor region of the first N-channel MISFET, the channel length of the first N-channel MISFET can be shortened, and the second N-channel MISFET By doping phosphorus in the low-concentration semiconductor region and doping arsenic in the high-concentration semiconductor region, the second N-channel MISFET can be made a high breakdown voltage MISFET. Furthermore, it is possible to further shorten the channel length by forming a semiconductor region doped with boron serving as a punch-through stopper in the first N-channel MISFET, and no punch-through stopper is provided in the second N-channel MISFET. As a result, it is possible to further increase the breakdown voltage.
Further, the silicide layer is not formed on the surface of the semiconductor region of the selective MISFET, and the silicide layer is formed on the surface of the high concentration semiconductor region. By not providing a silicide layer on the surface of the semiconductor region of the selective MISFET, a DRAM having excellent refresh characteristics can be formed by suppressing leakage between channels. By providing a silicide layer on the surface of the high concentration semiconductor region, the first The connection resistance in the connection hole of the second MISFET and the sheet resistance of the semiconductor region can be reduced to obtain a MISFET capable of high speed operation, and the performance of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
Furthermore, the thickness of the gate insulating film of the selective MISFET can be made thicker than the thickness of the gate insulating film of the second MISFET. By reducing the thickness of the gate insulating film of the second MISFET, the channel length of the second MISFET can be shortened, and by increasing the thickness of the gate insulating film of the selected MISFET, Therefore, a DRAM having excellent refresh characteristics can be formed. Note that shortening the channel length of the second MISFET has the effect of increasing the drive current of the MISFET, and has the effect that a high-performance semiconductor integrated circuit device capable of high-speed operation can be obtained. is there.
(3) A semiconductor integrated circuit device according to the present invention is the semiconductor integrated circuit device according to the above (1), in which the first MISFET, the gate insulating film is a tunnel insulating film, and the gate electrode includes a floating gate electrode and The floating gate type MISFET is arranged in a memory array region of a nonvolatile memory cell including a control gate electrode formed on the floating gate electrode through an insulating film.
According to such a semiconductor integrated circuit device, similarly to the DRAM described in the above (2), the memory array region of the nonvolatile memory cell can be highly integrated and the nonvolatile memory configured by the second MISFET It is possible to improve the performance of the MISFET in the peripheral circuit of the memory.
Note that the thickness of the gate insulating film of the second MISFET can be made thicker than the thickness of the gate insulating film of the first MISFET. As described above, by increasing the thickness of the gate insulating film of the second MISFET, the MISFET for a peripheral circuit of a non-volatile memory that is generally driven at a high voltage can be made a high withstand voltage MISFET.
(4) A semiconductor integrated circuit device of the present invention includes both the DRAM and the non-volatile memory described in (2) and (3). That is, the first MISFET includes both the selection MISFET and the floating gate type MISFET.
According to such a semiconductor integrated circuit device, high integration is realized in the memory array region of the DRAM and the nonvolatile memory, and a semiconductor integrated circuit device having high performance in the peripheral circuit or logic circuit region is formed. Can do.
The DRAM bit line and the wiring formed in the upper layer of the floating gate type MISFET can be formed in the same process. Thereby, the process can be shortened.
Further, the film thicknesses of the gate insulating films of the selection MISFET, the floating gate type MISFET, the peripheral circuit or logic circuit MISFET for driving the DRAM, and the MISFET of the peripheral circuit for driving the floating gate type MISFET are different from each other. The film thickness of the gate insulating film of the MISFET of the peripheral circuit that drives the MISFET is larger than the film thickness of the gate insulating film of the floating gate type MISFET. The film thickness of the gate insulating film of the floating gate type MISFET is equal to that of the selected MISFET. The thickness of the gate insulating film of the selected MISFET is thicker than the thickness of the gate insulating film, and the thickness of the gate insulating film of the peripheral circuit or logic circuit driving the DRAM is larger than that of the gate insulating film. Can do. As a result, the gate insulating film thickness is optimum for each MISFET of the selection MISFET, the floating gate type MISFET, the MISFET of the peripheral circuit or logic circuit that drives the DRAM, and the MISFET of the peripheral circuit that drives the floating gate type MISFET. it can.
In the semiconductor integrated circuit device described in (1) to (4), a silicon nitride film that covers the second MISFET and the semiconductor substrate is formed in the region where the second MISFET is formed. Can do.
According to such a semiconductor integrated circuit device, since the silicon nitride film is formed on the semiconductor substrate in the peripheral circuit or logic circuit region, the connection hole is formed in the element isolation region of the semiconductor substrate. However, the element isolation region is not excessively etched, and no leak between elements occurs. As a result, it is possible to prevent the occurrence of defects in the semiconductor integrated circuit device and improve its reliability and performance.
(5) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, (a) a step of forming a gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, (b) forming a gate electrode and a cap insulating film on the gate insulating film. (C) a step of forming low-concentration semiconductor regions of the first and second MISFETs in self-alignment with the gate electrode; (d) a step of forming a first sidewall spacer on the side surface of the gate electrode; Forming a second sidewall spacer outside the first sidewall spacer; (f) forming a high-concentration semiconductor region in a self-aligned manner with respect to the second sidewall spacer of the second MISFET; A step of depositing an interlayer insulating film made of a silicon oxide film on the entire surface of the semiconductor substrate; (h) interlayer insulation by self-alignment with the first sidewall spacer of the first MISFET. The film and the second sidewall spacer by etching, a step of a connection hole is intended to include the step of forming a conductive portion (i) connecting hole.
The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention includes (a) a step of forming a gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, and (b) a step of forming a gate electrode and a cap insulating film on the gate insulating film. (C) forming low-concentration semiconductor regions of the first and second MISFETs in self-alignment with the gate electrode; (d) depositing a silicon nitride film on the entire surface of the semiconductor substrate including the side surfaces of the gate electrode; e) a step of forming a sidewall spacer on the side surface of the gate electrode sandwiching the silicon nitride film, (f) a step of forming a high-concentration semiconductor region in a self-alignment with the sidewall spacer of the second MISFET, and (g) a semiconductor substrate. A step of depositing an interlayer insulating film made of a silicon oxide film on the entire surface of the substrate, and (h) an interlayer insulating film and a sidewall spacer self-aligned with the silicon nitride film Is etched to form an opening, a step of a connection hole further a silicon nitride film of the bottom of the opening is etched, it is intended to include the step of forming a conductive portion (i) connecting hole.
According to such a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, the semiconductor integrated circuit device described in (1) above can be formed.
(6) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the step (c), phosphorus is implanted into the semiconductor region of the first MISFET, and at least one of the low-concentration semiconductor regions of the second MISFET. Arsenic can be implanted into the low concentration semiconductor region. According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, the breakdown voltage of the first MISFET can be improved, and the channel length of the second MISFET in which arsenic is implanted can be shortened. It becomes.
In the step (a), the gate insulating film of the first MISFET and the gate insulating film of the second MISFET can be formed in the same step.
In such a case, the process of forming the gate insulating film can be shortened to simplify the process.
In the step (a), the gate insulating film is formed, the step of forming the first gate insulating film in the region where the first and second MISFETs are formed, and the first region of the region where the second MISFET is formed. The step of selectively removing the gate insulating film and the step of forming the second gate insulating film in a region where the second MISFET is formed can be included. In such a case, the film thicknesses of the gate insulating films of the first and second MISFETs can be different from each other, and the second gate insulating film is formed after the first gate insulating film is formed. The second gate insulating film can be formed thinner than the first gate insulating film.
(7) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to (5), wherein the gate insulating film is a tunnel insulating film of a floating gate type MISFET constituting a nonvolatile memory. The formation of the gate electrode includes a step of forming a floating gate electrode of the floating gate type MISFET on the tunnel insulating film and a step of forming a control gate electrode of the floating gate type MISFET on the floating gate electrode via the insulating film. Can be included. According to such a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, it is possible to form a non-volatile memory that is highly integrated in the memory array region and that achieves high performance in the peripheral circuit region.
(8) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to (5) or (6) above, wherein (a) on the main surface of the semiconductor substrate before the step And forming a floating gate electrode of the floating gate type MISFET on the tunnel insulating film.
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, it is possible to manufacture a semiconductor integrated circuit device in which a DRAM and a nonvolatile memory that are highly integrated in the memory array region and have high performance in the peripheral circuit region are mounted together. it can.
The formation of the gate electrode in the step (b) and the formation of the control gate electrode of the floating gate type MISFET can be formed in the same step, and the process can be simplified.
Further, the tunnel insulating film can be formed thicker than the gate insulating film in the step (a).
(9) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to any one of (5) to (8) above, wherein the second MISFET is formed before the step (g). A second silicon nitride film is deposited in the region to be formed, and an interlayer insulating film in a region where a conductive portion connecting the second MISFET and a member formed thereon is formed is formed on the second silicon nitride film. Then, etching may be performed under the condition that the etching selectivity can be obtained, and further, a step of etching the second silicon nitride film at the bottom of the opening to form a connection hole to form a conductive portion may be provided. .
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, the etching of the interlayer insulating film is stopped by the second silicon nitride film, and the second silicon nitride film that can be made extremely thin as compared with the interlayer insulating film is obtained. Since etching can be performed after that, it is sufficient that the overetching of the etching corresponds to one half of the thickness of the second silicon nitride film, and the connection hole covers the element isolation region of the semiconductor substrate. Even if it exists, an element isolation region is not etched excessively. As a result, the process margin of the etching process is ensured and the element isolation performance of the element isolation region is ensured, and the performance and reliability of the semiconductor integrated circuit device can be ensured.
The second silicon nitride film can be formed in the same process as the silicon nitride film formed as the first insulating film.
The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed above will be briefly described as follows.
(1) In a semiconductor integrated circuit device equipped with a DRAM or a nonvolatile memory, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit technology capable of high-speed operation while miniaturizing and highly integrating memory cells of the DRAM or nonvolatile memory.
(2) In a semiconductor integrated circuit device equipped with a DRAM and an electrically rewritable nonvolatile memory, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit technology capable of high-speed operation while miniaturizing memory cells to achieve high integration.
(3) It is possible to provide a high-performance semiconductor integrated circuit technology that is excellent in the refresh characteristics of the DRAM.
(4) Excessive etching of the element isolation region of the semiconductor substrate at the time of opening the connection hole can be prevented, and a highly reliable semiconductor integrated circuit technology can be provided.
(5) In a semiconductor integrated circuit device on which a DRAM and an electrically rewritable nonvolatile memory are mounted, the manufacturing process can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a memory cell region of a DRAM included in the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment. FIG. 3 is a block diagram of the semiconductor integrated circuit device of the first embodiment, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a DRAM included in the semiconductor integrated circuit device of the first embodiment. 5 to 25 are cross-sectional views or plan views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment in the order of steps, and FIGS. 48 and 49 are the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment. It is sectional drawing which showed another example of this manufacturing method in process order.
FIG. 26 is a cross-sectional view showing an example of the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 27 to 29 show the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment. It is sectional drawing which showed an example of the manufacturing method in the order of the process.
FIG. 30 is a cross-sectional view showing an example of the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment of the present invention, and FIGS. 31 to 33 show the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment. It is sectional drawing which showed an example of the manufacturing method in the order of the process.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 35 is an enlarged cross-sectional view of region C and region D in FIG. FIG. 36 is a plan view of a memory array region of an electrically rewritable batch erasable nonvolatile memory so-called flash memory included in the semiconductor integrated circuit device of the fourth embodiment, and FIG. 37 is a part of the flash memory. 38 to 46 are plan views or cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device of the fourth embodiment in the order of steps.
FIG. 47 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 50 (a) is a cross-sectional view showing an example of a DRAM according to the sixth embodiment of the present invention in the memory cell region, and FIG. 50 (b) is a peripheral circuit of the DRAM according to the sixth embodiment. FIG. 51 is a plan view of the memory cell region of the DRAM of the sixth embodiment, FIG. 52 (a) is a cross-sectional view taken along line IIIa-IIIa in FIG. 51, and FIG. 52 (b). FIG. 35 is a cross-sectional view taken along the line IIIb-IIIb in FIG. 51, and FIGS. 35 to 79 are cross-sectional views showing an example of the DRAM manufacturing method according to the sixth embodiment in the order of steps.
FIGS. 80 and 81 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a DRAM according to the seventh embodiment of the present invention, and FIGS. 82 to 84 show the DRAM according to the eighth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which showed an example of the manufacturing method.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of a memory cell region of a DRAM included in the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment. FIG. 3 is a block diagram of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a DRAM included in the semiconductor integrated circuit device of the first embodiment.
As shown in region A of FIG. 1, the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment includes storage capacitors C2 and C3 for storing information constituting memory cells of DRAMs, and select MISFETs Qs2 and Qs3 connected thereto. The word lines WL1 and WL4 adjacent to these are included. The cross section of the DRAM shown in FIG. 1 is a cross section taken along line II of the plan view of the memory cell region of the DRAM shown in FIG. Further, the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment includes an N channel MISFET Qn1, a P channel MISFET Qp1, and a peripheral circuit other than DRAM memory cells or other logic circuits as shown in region B of FIG. A second N-channel MISFET Qn2 is included.
Further, as shown in FIG. 3, the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment includes an information processing unit CPU, an input / output unit PORT, an analog / digital circuit unit ADC, other logic circuit units LG such as a timer, an OS, and the like. A microcomputer in which a ROM for data storage and a DRAM as a memory are formed on the
Further, as shown in the equivalent circuit of FIG. 4, a 1-bit memory cell includes an information storage capacitor C and a selection MISFET Qs (Qs2, Qs3), and the information storage capacitor C and a selection MISFET Qs (Qs2). , Qs3) are connected in series. The gate electrode of the selection MISFET Qs is electrically connected to the word line WL (WL0, WL1, WLn) and is configured integrally. The word line WL is connected to the word line driver WD. One of the source and drain regions of the selection MISFET Qs is electrically connected to one electrode of the information storage capacitor C. The other of the source or drain regions of the selection MISFET Qs is connected to the bit line BL, and the bit line BL is connected to the sense amplifier SA. Thus, the 1-bit memory cell is arranged at the intersection of the word line WL and the bit line BL. As will be described later, the word line WL extends in the first direction, and the bit line BL extends in the second direction perpendicular to the first direction.
The sense amplifier SA is not particularly limited, but can be composed of the N-channel MISFET Qn1 and the P-channel MISFET Qp1. As will be described later, the N-channel MOSFET constituting the word line driver WD can be composed of an N-channel MISFET Qn2 that is different from the N-channel MISFET Qn1 in impurities in a low concentration semiconductor region. Further, the N-channel MISFET Qn2 is used in a circuit unit that operates at a higher voltage than the N-channel MISFET Qn1, such as a charge pump circuit or an input / output unit PORT if necessary.
Next, the configuration of each part will be described with reference to the cross-sectional view of the main part of FIG.
A 1-bit memory cell includes an information storage capacitor C (C2, C3) and a selection MISFET Qs (Qs2, Qs3). The selection MISFET Qs is formed in a P-
The selection MISFET Qs is formed in the active region 5b defined by the
The upper portion of the
The lightly doped N-
Further, as shown in FIG. 6 described later, the selection MISFET Qs is electrically separated from the memory cell by the
One low-concentration N-
The
In the first embodiment, the
The other low-concentration N-
Similar to the
The
The storage capacitor C for information storage includes a
The
The N-channel MISFET Qn1 is formed in the P-
Similar to the DRAM selection MISFET Qs, a
In the low-concentration N-
A P-
The P-channel MISFET Qp1 is formed in the N-
The low-concentration P-
The N-channel MISFET Qn2 is formed in the P-
For example, phosphorus is implanted as an impurity into the low-concentration N-
The semiconductor regions constituting the sources and drains of the N-channel MISFET Qn1, the N-channel MISFET Qn2, and the P-channel MISFET Qp1 are connected to the
Further, each
The
Each
Next, a method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 25 are sectional views or plan views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment in the order of the steps.
First, as shown in FIGS. 5 and 6, a
In the shallow trench isolation method, a silicon oxide film and a silicon nitride film (not shown) are sequentially formed on the main plane of the P-
Next, as shown in FIG. 7, an N-
Next, an N-
Next, as shown in FIGS. 8 and 9, the silicon oxide film on the P-
The film thickness of the
Next, the
The channel impurity for controlling the threshold value (Vth) of the MISFET can be formed by ion implantation before the
Next, as shown in FIGS. 10 and 11, the low-concentration N-
Next, the low-concentration N-
The P-
Further, a low-concentration P-
Thereafter, the impurities are activated by a heat treatment at about 850 ° C. In this case, it is performed for about 20 to 30 minutes in a nitrogen atmosphere containing about 1% oxygen. Desirably, the impurity distribution can be controlled by performing a short-time heat treatment at about 1000 ° C. by the RTA method.
Preferably, heat treatment can be performed in an oxidizing atmosphere at about 700 to 800 ° C. before forming each of the low-concentration semiconductor regions. Thereby, the edge part of the
Next, as shown in FIGS. 12 and 13,
Alternatively, the
Next, as shown in FIGS. 14 and 15, the
Next, as shown in FIG. 16, a high-concentration N-
Further, a high concentration P-
As described above, since the
Next, as shown in FIGS. 17 and 18, an insulating
Further, a
Further, a polycrystalline silicon film containing impurities such as phosphorus for reducing the resistance is formed on the entire surface of the
Next, an insulating film (silicon oxide film) (not shown) is deposited to cover the
Next, as shown in FIGS. 19 and 20, a
Further, a silicon film containing an impurity such as phosphorus or a silicide film such as WSi is formed to reduce the resistance. Then, using the photoresist as a mask, the
Next, as shown in FIGS. 21 and 22, an insulating
Further, a
Next, as shown in FIG. 23, a polycrystalline silicon film containing an impurity such as phosphorus or a silicide film such as WSi is formed to reduce resistance. Then, by performing anisotropic dry etching, a
Next, as shown in FIG. 24, after the insulating
Next, as shown in FIG. 25, a
Further, the
Finally, the insulating
(Embodiment 2)
FIG. 26 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention.
The semiconductor integrated circuit device of the second embodiment is different from the semiconductor integrated circuit device of the first embodiment in that a
An example of a method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 27 to 29 are cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment in the order of steps.
Similar to the manufacturing method of the first embodiment, after forming the selection MISFET Qs, the N channel MISFETs Qn1, Qn2, and the P channel MISFET Qp1 shown in FIG. A
Thereafter, the process is the same as in the first embodiment until the insulating
Next, a second stage etching is performed to etch the
By performing two-stage etching using the
Since the subsequent manufacturing method is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
(Embodiment 3)
FIG. 30 is a cross-sectional view showing the main part of an example of a semiconductor integrated circuit device according to still another embodiment of the present invention.
The semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment differs from the first and second embodiments except at least the low-concentration N-
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 31 to 33 are cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment in the order of steps.
First, similarly to the first embodiment, the high concentration N-
Next, a
Subsequent steps are the same as those in FIG. 27 and subsequent steps in the second embodiment, and a description thereof will be omitted.
(Embodiment 4)
FIG. 34 is a cross sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention.
The semiconductor integrated circuit device of the fourth embodiment is an example in which a flash memory is used as a ROM in the block diagram of FIG. 3 of the first embodiment. In FIG. This is the same as the first region A and the region B. Therefore, the description of the corresponding part is omitted.
FIG. 35 is an enlarged view of region C and region D in FIG. FIG. 36 is a plan view of a memory array region of an electrically rewritable batch erasable nonvolatile memory so-called flash memory included in the semiconductor integrated circuit device of the fourth embodiment, and FIG. It is an equivalent circuit diagram of the part. This will be described below with reference to FIGS.
In the flash memory according to the fourth embodiment, a 1-bit memory cell includes a
The source of the floating gate type MISFET Qf is formed of a low concentration N
The drain of the floating gate type MISFET Qf is connected to the
The source of the memory cell is connected to the source line SL through the
A block is selected by a selection MISFET Qsf. That is, the potential of the main bit line BL is supplied to the memory cell via the selection MISFET Qsf. As shown in FIG. 36, the word line MWL (7), the block selection lines tWL1 and tWL2, and the source line SL extend in the first direction, and the sub bit line subBL (32) extends in the second direction. .
The selection MISFET Qsf includes a
As shown in FIGS. 45 and 46, which will be described later, the connection holes 21 and 30 for connecting to the source and drain of the floating gate type MISFET Qf are the same as the connection holes 19 and 21 of the first embodiment and are made of silicon nitride. It is formed in a self-aligned manner with respect to the one
Writing in the flash memory of the present invention is performed by emitting electrons from the floating
Erasing is performed by injecting electrons into the floating
The N channel MISFET Qn3 and the P channel MISFET Qp2 are MISFETs used in a circuit for writing and erasing the flash memory.
With such a semiconductor integrated circuit device, even when a flash memory is mounted, the
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 38 to 46 are cross-sectional views or plan views showing an example of the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the fourth embodiment in the order of steps.
First, as in the first embodiment, a
Next, as shown in FIGS. 39 and 40, a
Next, as shown in FIG. 41, an
Next, as shown in FIGS. 42 and 43, the
Subsequent steps are substantially the same as the steps after FIG. 10 in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 44, the
Next, after forming the insulating
Next, after forming the insulating
Since the connection holes 21 and 30 are formed in a self-aligned manner with respect to the
In addition, since the alignment margin in the second direction can be reduced, miniaturization in the second direction can be achieved. That is, the interval between the memory cells in the second direction can be reduced, and high integration can be achieved.
Next, the
According to the semiconductor integrated circuit device manufacturing method of the fourth embodiment, a semiconductor integrated circuit device on which a flash memory is mounted can be manufactured in the same manner as in the first embodiment, and the memory cell array is highly integrated in the flash memory. can do. Further, the film thickness of the gate insulating film can be changed according to the requirements of the MISFET.
Needless to say, the
(Embodiment 5)
FIG. 47 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to still another embodiment of the present invention.
The semiconductor integrated circuit device of the fifth embodiment is different from the semiconductor integrated circuit device of the first embodiment in that a silicon nitride film (first sidewall spacer) 207 is formed instead of the
Note that, in the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device of the fifth embodiment, a
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments of the invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
For example, in the first to fifth embodiments, the example in which the peripheral circuit or the logic circuit is configured by the complementary (complementary) MISFET has been described. However, the peripheral circuit or the like may be configured only by the N-channel MISFET or the P-channel MISFET. .
In the first to fifth embodiments, the gate insulating film of the selection MISFET Qs in the DRAM memory cell region has the same thickness as the gate insulating films of the N channel MISFETs Qn1, Qn2 and P channel MISFET Qp1. Although shown, these gate insulating films may have different thicknesses. In particular, if the thickness of the gate insulating film of the N-channel MISFETs Qn1, Qn2 and P-channel MISFET Qp1 is made smaller than the thickness of the gate insulating film of the selected MISFET Qs, the N-channel MISFETs Qn1, Qn2 and the P-channel MISFET Qp1 can be further shortened. Thus, the performance of the semiconductor integrated circuit device can be further improved. As a method for manufacturing the gate insulating film at this time, a manufacturing method similar to the method of forming the gate insulating films of the flash memory region and the DRAM region described in the fourth embodiment in separate steps can be used.
The memory cells of the first to fifth embodiments have been described using a flash memory that is a DRAM or a nonvolatile memory. However, the present invention is not limited to this, and an SRAM (Static RAM), a mask ROM, etc., for example, between word lines Of course, the present invention may be applied to a memory cell structure in which a conductive pair is connected to the source or drain region of the MISFET in a self-aligning manner using a side wall spacer.
(Embodiment 6)
FIG. 50A is a cross-sectional view showing an example of a DRAM according to an embodiment of the present invention for the memory cell region, and FIG. 50B is a cross-sectional view showing the peripheral circuit region. FIG. 51 is a plan view of the memory cell region of the DRAM of the sixth embodiment. 52 is a cross-sectional view of the memory cell region of the DRAM of the sixth embodiment. FIG. 52A is a cross-sectional view taken along line IIIa-IIIa in FIG. 51, and FIG. 52B is a cross-sectional view taken along line IIIb-IIIb in FIG. Indicates. In FIG. 51, in order to make the drawing easy to see, some members are hatched or indicated by broken lines, and the Ia-Ia line in FIG. 51 is a cut portion of the cross-sectional view shown in FIG. Indicates.
In the memory cell region of the DRAM of the sixth embodiment, a memory cell selection MISFET Qt is formed on the main surface of the
An n-type MISFET Qn constituting the peripheral circuit is formed in the peripheral circuit region of the DRAM. Note that a p-type MISFET (not shown) may be formed in the peripheral circuit, and the n-type MISFET Qn and the p-type MISFET may constitute the CMISFET. In addition to the n-type MISFET Qn, a high breakdown voltage n-type MISFET (not shown) may be formed.
The
A p-
When a p-type MISFET is formed, an n-well (not shown) into which, for example, phosphorus is introduced is formed in a region where the p-type MISFET is formed. In addition, a MISFET threshold control layer may be formed in the p-well 303 and the n-well when it exists.
The memory cell selection MISFET Qt is formed on the active region surrounded by the element
The
The n-
The upper surface of the gate electrode 305 (which is also the word line WL) is made of, for example, SiO. 2 A
The upper surface of the
Note that, for example, SiO at the interface between the side surface of the
The self-alignment
As described above, the
In the
An interlayer insulating
A bit line BL is formed on the
This bit line BL is covered with an
On interlayer insulating
A storage capacitor SN having a cylindrical crown shape is formed in the upper layer of the
Note that a
On the other hand, the n-type MISFET Qn in the peripheral circuit region is formed on the active region surrounded by the element
The
Since the
Since the
A
As will be described later, the
The
As described above, the self-alignment
Needless to say, when a p-type MISFET is formed, the p-type MISFET has the same configuration as that of the n-type MISFET Qn and has a conductivity reversed.
In addition, at the interface between the side surface of the
The n-type MISFET Qn is covered with an
The
Over the
A
The
The
The
Next, a method for manufacturing the DRAM will be described with reference to FIGS. 53 to 79 are cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the DRAM of the sixth embodiment in the order of steps. FIGS. 53 to 79, except for FIGS. 63, 65, 67, 69, and 71, show a portion corresponding to the cross section taken along line Ia-Ia in FIG. 51 in FIG. The cross section of a circuit area is represented. 63, FIG. 65, FIG. 67, FIG. 69, and FIG. 71 show a portion corresponding to the section taken along the line IIIa-IIIa in FIG. 51 in (a), and FIG. The corresponding part is shown.
First, as shown in FIG. 53, a shallow trench isolation region is formed in a predetermined region of the
Note that the element
Next, as shown in FIG. 54, using the photoresist as a mask, an n-type impurity such as phosphorus is introduced into the formation region of the memory cell array of the
In order to optimize the impurity concentration in the channel region and obtain the desired threshold voltage of the memory cell selecting MISFET Qt or n-type MISFET Qn, p-type impurities such as boron are added to the main surface of the active region of the p-well 303. Ions can be implanted.
Next, as illustrated in FIG. 55, a
Next, as shown in FIG. 56, using the photoresist as a mask, the
Next, after removing the photoresist, the
Next, as shown in FIG. 57, p-type impurities such as boron are ion-implanted into the main surface of the p-well 303 in the region where the n-type MISFET Qn is formed in the peripheral circuit region using the laminated film and the photoresist as a mask. Then, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted. Further, after removing the photoresist, an n-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into the main surface of the p-well 303 where the selection MISFET Qt is formed using the laminated film and the photoresist as a mask. By extending and diffusing these impurities, the low-concentration n-
Next, as shown in FIG. 58, a
Next, as shown in FIG. 59, a TEOS silicon oxide film (not shown) is formed on the entire surface of the
Next, as shown in FIG. 60, the
Next, as shown in FIG. 61, a TEOS silicon oxide film is deposited to form an
Next, as shown in FIGS. 62 to 65, the
First, as a first etching step, etching is performed under conditions where the silicon oxide film is easily etched and the silicon nitride film is difficult to etch. Such etching can be performed by, for example, C Four F 8 Further, it can be realized by anisotropic plasma etching using a mixed gas containing argon and a raw material gas. In this first etching process, since the silicon nitride film is difficult to be etched, the etching of the
Next, as a second etching step, etching is performed under the condition that the silicon nitride film is etched. Such etching is performed, for example, by CHF. Three , CF Four Further, it can be realized by anisotropic plasma etching using a mixed gas containing argon and a raw material gas. In this second etching step, since the thick
In the second etching step, as shown in FIG. 64, since the
Such a method of performing two-step etching using the self-aligned insulating
Next, as shown in FIGS. 66 and 67, a
Next, as shown in FIGS. 68 and 69, an
Next, as shown in FIGS. 70 and 71, the
Next, as shown in FIG. 72, an
Next, as shown in FIG. 73, after depositing a
Next, as shown in FIG. 74, a
Next, as shown in FIG. 75, a
Next, as shown in FIG. 76, using the photoresist as a mask, the
Next, after removing the photoresist, as shown in FIG. 77, a polycrystalline silicon film (not shown) is deposited on the
Next, as shown in FIG. 78, polycrystalline silicon grains having a grain size of about 40 nm are grown on the
Next, as shown in FIG. 79, a BPSG film is deposited and annealed to form an
Finally, a TEOS silicon oxide film is deposited by plasma CVD, and after coating an SOG film, a TEOS silicon oxide film is deposited by plasma CVD to form an
According to the DRAM of the sixth embodiment, since the
In addition, since the self-alignment
In the sixth embodiment, an example in which the
Needless to say, the two-stage etching described above may be performed in a continuous process.
In FIG. 60, after forming the high-concentration n-type semiconductor region 6c-2 of the n-type MISFET Qn, the
In FIG. 60, the third embodiment can be implemented after the high-concentration n-type semiconductor region 6c-2 of the n-type MISFET Qn is formed.
That is, after the high-concentration n-type semiconductor region 6c-2 of the n-type MISFET Qn is formed, a refractory metal such as molybdenum or cobalt is deposited on the peripheral circuit region, and the high-concentration n-type semiconductor of the n-type MISFET Qn for the peripheral circuit is deposited. A silicide layer is formed on the surface of the region 6c-2, and then an unreacted refractory metal is removed, and then a TEOS silicon oxide film shown in FIG. 61 is deposited to form an
The above example can also be applied to the case of
(Embodiment 7)
80 and 81 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a DRAM which is another embodiment of the present invention.
The manufacturing method of the seventh embodiment is the same as the manufacturing method of the sixth embodiment up to the formation of the
The manufacturing method of the seventh embodiment shows a case where the arrangement of the
After the formation of the
Next, as shown in FIG. 81, the
That is, according to the manufacturing method of the seventh embodiment, the self-alignment
Note that the subsequent steps are the same as the steps after FIG.
(Embodiment 8)
82 to 84 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a DRAM which is still another embodiment of the present invention.
The manufacturing method of the eighth embodiment is the same as the manufacturing method of the sixth embodiment up to the formation of the
The manufacturing method of the eighth embodiment shows a case where the arrangement of the
After the formation of the
Next, as shown in FIG. 83, the insulating
Further, after the
Next, as shown in FIG. 84, the
According to such a manufacturing method, the insulating
Note that the subsequent steps are the same as the steps after FIG.
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments of the invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
For example, in the sixth to eighth embodiments, the case where the element isolation region is a shallow trench element isolation region has been described. However, the element isolation region may be an element isolation region using a thick field insulating film by a LOCOS method. In the present invention, since the shallow groove of the shallow groove element isolation region is formed steeper than the bird's beak of the field insulating film, the shallow groove element isolation region which is highly likely to be greatly affected by slight deviation. Although a remarkable effect can be obtained by applying to the above, the effect can be obtained even if it is applied to an element isolation region by a field insulating film.
The present invention includes the following inventions.
(1) A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a gate insulating film and a gate insulating film formed on a main surface of a semiconductor substrate having an element isolation region and an active region surrounded by the element isolation region on the main surface. A MISFET including a gate electrode formed thereon, a cap insulating film formed on the gate electrode, and a semiconductor region formed in active regions on both sides of the gate electrode is formed. A semiconductor integrated circuit device having an interlayer insulating film that insulates a member, wherein an interlayer is formed on a main surface of a semiconductor substrate including an upper surface and a side surface of a cap insulating film and a side surface of a gate electrode in all or a part of the MISFET. An insulating film for self-alignment processing having an etching selectivity with respect to the insulating film is formed, and the conductive film and the semiconductor region are connected to the insulating film for self-alignment processing In addition to opening the connection hole for the gate electrode in a self-aligned manner, the bottom of the connection hole is intended to prevent excessive etching of the portion of the element isolation region that is out of the active region It is.
According to such a semiconductor integrated circuit device, the insulating film for self-alignment processing is formed on the side surface of the gate electrode and the main surface of the semiconductor substrate, and as a sidewall of the gate electrode for processing the connection hole in a self-alignment manner, And a highly integrated semiconductor integrated circuit device having a short interval between the gate electrodes, particularly a memory mat region of a highly integrated DRAM, for use as a stopper film for preventing excessive etching of the element isolation region of the semiconductor substrate Even in the MISFET, a sufficient connection region on the bottom surface of the connection hole can be secured. As a result, even in a highly integrated semiconductor integrated circuit device, both the self-aligned contact technology and the technology for preventing excessive etching of the element isolation region can be used, and high integration and high reliability of the semiconductor integrated circuit device can be achieved. It can be realized.
(2) In the semiconductor integrated circuit device, the insulating film for self-alignment processing is a thin film that is in contact with the side surfaces of the cap insulating film and the gate electrode or is sufficiently thin as compared with the film thickness of the insulating film for self-alignment processing. It is not necessary to form a sidewall between the insulating film for self-alignment processing, the cap insulating film, and the side surface of the gate electrode. That is, the insulating film for self-alignment processing can be used as the sidewall of the gate electrode, and it is not necessary to form a separate sidewall. For this reason, the opening margin of the connection hole can be increased, and the number of steps can be minimized by simplifying the steps.
(3) The insulating film for self-alignment processing can be a silicon nitride film, and the interlayer insulating film can be a silicon oxide film. As described above, by using a silicon nitride film and a silicon oxide film that are frequently used in the conventional manufacturing process of a semiconductor integrated circuit device and have a well-known physical property, the process design and conditions can be determined using an established manufacturing process. It is possible to make a selection easily and to quickly start a production process.
(4) The element isolation region can be a shallow groove element isolation region having a shallow groove element isolation structure, or an element isolation region having a thick field insulating film formed by using a selective oxidation method. In particular, in the case of the shallow groove element isolation region, the shallow groove element isolation region is formed steeply in the boundary region between the active region and the element isolation region. The excessively etched portion formed in the isolation region becomes deeper than a thick field insulating film or the like, and the problem of excessive etching due to misalignment becomes significant. Therefore, when the present invention of the semiconductor integrated circuit device having the shallow trench element isolation region is applied to prevent excessive etching of the element isolation region, the effect is remarkable.
(5) Also, the semiconductor integrated circuit device of the present invention includes a memory mat region of a DRAM, and an insulating film for self-alignment processing is formed only in the memory mat region. In other words, the insulating film for self-alignment processing is formed only in the memory mat area where the demand for high integration is strong, realizing high integration and high reliability of the memory mat area, and the demand for relatively high integration is strong. An insulating film for self-alignment processing is not formed in a peripheral circuit region that does not exist.
According to such a semiconductor integrated circuit device, high integration and high reliability are realized in the memory mat region, and since the insulating film for self-alignment processing is not formed in the peripheral circuit region or the like, it is formed simultaneously with the gate electrode. The connecting hole forming step between the wiring layer and the upper layer or the connecting hole forming step between the semiconductor region of the MISFET in the peripheral circuit region and the upper layer can be simplified. In other words, when the insulating film for self-alignment processing is formed also in the peripheral circuit region, it is necessary to perform two-step etching for etching the insulating film for self-alignment processing when forming the connection hole between the semiconductor region and the upper layer. In addition, when forming the connection hole between the wiring layer and the upper layer formed simultaneously with the gate electrode, the insulating film for self-alignment processing is etched in addition to the etching of the cap insulating film formed on the upper surface of the gate electrode. It is necessary and the process may be complicated. However, in the present invention, since the insulating film for self-alignment processing is not formed in the peripheral circuit region, the process is not complicated.
(6) Further, the semiconductor integrated circuit device of the present invention includes the memory mat region of the DRAM, and the side surface of the gate electrode of the MISFET formed in the region other than the memory mat region has the same process as the insulating film for self-alignment processing. A sidewall is formed through the insulating film deposited in
According to such a semiconductor integrated circuit device, the LDD (Lightly Doped Drain) structure of the MISFET formed in the area other than the memory mat area is optimized, and the MISFET in the area other than the memory mat area is shortened. The performance can be improved.
(7) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes: (a) a step of forming an element isolation region on the main surface of the semiconductor substrate; (b) a silicon oxide film serving as a gate insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate; A conductive film mainly composed of a polycrystalline silicon film to be an electrode and a silicon nitride film to be a cap insulating film are sequentially deposited to form a laminated film, and the laminated film is patterned to form a gate insulating film, a gate electrode and a cap insulating film. A step of forming a film; (c) a step of ion-implanting impurities using the gate electrode as a mask to form a semiconductor region in an active region of the main surface of the semiconductor substrate surrounded by the element isolation region; and (d) an entire surface of the semiconductor substrate. (E) depositing an interlayer insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate on which the self-alignment processing insulating film is formed, and (f) depositing an insulating film for self-alignment processing. A first etching step of selectively etching the interlayer insulating film under a condition that the etching rate is sufficiently smaller than the etching rate of the interlayer insulating film, and opening a part of the connection hole in a self-aligned manner with respect to the gate electrode; (G) including a second etching step of anisotropically etching the insulating film for self-alignment processing at the bottom of the connection hole.
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, after forming the gate electrode and the cap insulating film, the insulating film for self-alignment processing is deposited without forming the sidewall, so that the contact margin between the gate electrodes is increased. It is possible to take enough. As a result, the connection reliability between the member formed in the connection hole of the semiconductor integrated circuit device and the semiconductor region formed in the active region can be improved.
Further, since the connection hole is opened in two stages of the first etching process and the second etching process, the connection hole can be opened in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, and at the bottom of the connection hole. Excessive etching of the element isolation region can be prevented. As a result, the degree of integration of the semiconductor integrated circuit device can be improved, the characteristics of the MISFET of the semiconductor integrated circuit device can be improved, and the reliability can be improved. Needless to say, the first etching step and the second etching step may be continuous steps.
(8) In addition, in the step (a), the element isolation region is formed by filling the shallow groove with a silicon oxide film after the shallow groove is formed and polishing the silicon oxide film by etch back or CMP. Either a first configuration in which only a silicon oxide film is left, or a second configuration in which a thick field insulating film is selectively formed by a thermal oxidation method using a patterned silicon nitride film as a mask. it can. According to such a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, a semiconductor integrated circuit device having a shallow groove element isolation region or a thick field insulating film by a LOCOS method can be manufactured.
(9) In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the self-alignment processing insulating film is a silicon nitride film, the interlayer insulating film is a silicon oxide film, and the etching in the first etching step is C. Four F 8 Etching in the second etching step is performed by plasma etching using a mixed gas containing oxygen and argon. Three , CF Four And plasma etching using a mixed gas containing argon.
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, the first etching step is performed by C. Four F 8 Since the etching is performed by plasma etching using a mixed gas containing argon and argon, the silicon oxide film can be etched under a condition that the silicon nitride film is difficult to be etched, that is, under a condition having a sufficient etching selectivity with respect to the silicon nitride film. The silicon oxide film can be etched, and the interlayer insulating film in the connection hole region can be etched with a sufficient processing margin to the insulating film for self-alignment processing on the main surface of the semiconductor substrate as a stopper film. . In addition, the second etching process is CHF. Three , CF Four Since the etching is performed by plasma etching using a mixed gas containing argon and argon, the self-aligning insulating film made of a silicon nitride film can be easily etched. Since only the relatively thin silicon nitride film is etched in the second etching step, the connection hole is opened with a sufficient processing margin, and as a result, excessive etching of the element isolation region can be reduced.
(10) In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, in the second etching step, an over-etching less than an etching time required for etching the entire film thickness of the insulating film for self-alignment processing is added. .
Such over-etching can be applied to open the connection hole by two-step etching using the self-aligned insulating film as a stopper film as described above. Although the etching is performed, the connection hole can be reliably opened, and the connection reliability at the bottom of the connection hole can be improved. Note that the amount of etching in the active region is less than or equal to the thickness of the insulating film for self-alignment processing because the overetching applied is less than the etching time required to etch the entire film thickness of the insulating film for self-alignment processing. Since the thickness of the insulating film for self-alignment processing can be reduced to 30 to 50 nm, such excessive etching does not cause a problem in the process.
(11) A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a DRAM memory mat region in a semiconductor integrated circuit device, and a gate electrode and a cap insulating film other than the memory mat region after the deposition of the self-alignment processing insulating film. The method includes a step of forming a side wall with an insulating film for self-alignment processing interposed therebetween.
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, it is possible to form an appropriate LDD structure in the MISFET other than the memory mat region. As a result, the MISFET other than the memory mat region, for example, the MISFET in the peripheral circuit region can be shortened to improve the performance of the MISFET. Since there is generally a sufficient space between the gate electrodes in the peripheral circuit region, it is possible to form a sidewall even if the insulating film for self-alignment processing is formed on the side surface of the gate electrode of the MISFET in the peripheral circuit region. It is.
(12) According to the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, the semiconductor integrated circuit device includes a DRAM memory mat region, and after the deposition of the self-alignment processing insulating film, at least a semiconductor substrate other than the memory mat region is formed. The method includes a step of removing the insulating film for self-alignment processing on the main surface.
According to such a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, since it includes a step of removing at least the insulating film for self-alignment processing on the main surface of the semiconductor substrate other than the memory mat region, for example, self-alignment of the peripheral circuit region of the DRAM The processing insulating film can be removed, and the connection hole connected to the semiconductor region or gate electrode of the MISFET in the peripheral circuit region can be easily formed.
(13) The sidewall is formed by depositing the self-alignment processing insulating film, etching the self-alignment processing insulating film using the photoresist covering the memory mat region as a mask, removing the photoresist, and then forming the semiconductor. An insulating film can be deposited on the entire surface of the substrate, and the insulating film can be anisotropically etched. The etching of the insulating film for self-alignment processing may be anisotropic etching that remains as a sidewall on the side surface of the gate electrode, or isotropic etching that does not remain as a sidewall.
In addition, the sidewall is formed by depositing an insulating film for embedding the gate electrode and cap insulating film formed in the memory mat region after depositing the insulating film for self-alignment processing, and anisotropically etching the insulating film. Can be done. In such a case, since the space between the gate electrodes in the memory mat region is filled with an insulating film, an insulating film for self-alignment processing formed on the main surface of the semiconductor substrate between the gate electrodes in the memory mat region is formed by subsequent anisotropic etching. On the other hand, the insulating film for self-alignment processing in the area other than the memory mat area, for example, the peripheral circuit area, has a margin in the distance between the gate electrodes in the peripheral circuit area. It is possible to perform etching simultaneously with anisotropic etching. That is, it is possible to omit the mask formation process for etching only the insulating film for self-alignment processing in the peripheral circuit region. Thereby, a process can be simplified.
Among these inventions, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
(1) Even in the memory cell region of a highly integrated DRAM, the connection hole can be formed in a self-aligning manner, and excessive etching of the element isolation region at the bottom of the connection hole can be prevented.
(2) When the connection hole is formed in a self-aligning manner and excessive etching of the element isolation region at the bottom of the connection hole is prevented, the processing margin of the connection hole can be improved.
(3) When forming the connection hole in a self-aligning manner and preventing excessive etching of the element isolation region at the bottom of the connection hole, an increase in the number of steps can be suppressed.
(4) High integration of the semiconductor integrated circuit device can be realized, the refresh characteristics of the DRAM can be improved, and the transistor characteristics of the memory cell region can be improved.
As a result of investigation of known examples conducted by the present inventor after the present invention, a technique for forming a connection hole of one electrode of a capacitor and a bit line connection hole in a self-aligned manner with respect to a word line is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-342164. It is described in the gazette.
Also, there is a technique for preventing overetching of a semiconductor substrate or an element isolation insulating film by providing a silicon nitride film when opening a connection hole and a bit line connection hole of one electrode of a capacitor with respect to an interlayer insulating film. No. 8-264075 and Japanese Patent Application No. 8-344906. Japanese Patent Laid-Open No. 6-53162 discloses a technique of providing a silicon nitride film when opening a connection hole to the source or drain in the insulating film on the MOSFET.
Further, a method for manufacturing a semiconductor device having a double side wall film made of a silicon nitride film and a silicon oxide film on the side wall of a gate electrode is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-276729 and 6-168955 and US Pat. No. 804.
Industrial applicability
As described above, the semiconductor integrated circuit device and the manufacturing method thereof according to the present invention are suitable for microfabrication, high integration, and high reliability, and in particular, a DRAM or an electrically rewritable nonvolatile memory or logic. The present invention is suitable for application to a highly integrated semiconductor integrated circuit device in which a circuit and a DRAM or an electrically rewritable nonvolatile memory are mounted together.
Claims (4)
前記半導体基体の主面上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極、前記ゲート電極下部の前記半導体基体の主面のチャネル領域に接する低濃度半導体領域および前記低濃度半導体領域の外側に設けられた高濃度半導体領域を含む第2MISFETと、を有する半導体集積回路装置であって、
前記第1および第2MISFETの前記ゲート電極の上面にはキャップ絶縁膜が形成され、前記第2MISFETのゲート電極の側面には、シリコン窒化膜からなる第1の絶縁膜で形成した第1サイドウォールスペーサ、およびその外側に、前記第1サイドウォールスペーサを覆う、シリコン酸化膜からなる第2の絶縁膜で形成された第2サイドウォールスペーサが形成され、前記第1MISFETのゲート電極の側面には、前記第1の絶縁膜で形成された第3サイドウォールスペーサが形成され、
前記第1MISFETの半導体領域と前記第1MISFETの上層に形成された部材とを接続する第1の導体部が、前記第1の絶縁膜で形成された前記第3サイドウォールスペーサに対して自己整合的なエッチングにより形成された接続孔に埋設され、
前記第2MISFETの半導体領域と前記第2MISFETの上層に形成された部材とを接続する第2の導体部が形成され、
前記第1の導体部と前記第2の導体部は埋設部材が異なり、
前記第2MISFETの前記高濃度半導体領域が、前記第2の絶縁膜で形成された前記第2サイドウォールスペーサに対して自己整合的なイオン注入により形成されており、
前記第1MISFETは、DRAMセルのメモリアレイ領域に配置されたDRAMの選択MISFETであり、前記第1MISFETの上層に形成された部材は、DRAMの蓄積容量またはビット線であり、
前記第2MISFETは、前記DRAMを駆動する周辺回路に含まれ、
前記選択MISFETの半導体領域にドープされた不純物はリンであり、
前記第2MISFETのNチャネルMISFETは、第1のNチャネルMISFETと第2のNチャネルMISFETとを含み、前記第1のNチャネルMISFETは、ヒ素がドープされた低濃度半導体領域およびヒ素がドープされた高濃度半導体領域を含み、前記第2のNチャネルMISFETは、リンがドープされた低濃度半導体領域およびヒ素がドープされた高濃度半導体領域を含み、
前記第1の導体部は多結晶シリコンを埋設した導体部であり、前記第2の導体部は高融点金属を埋設した導体部であることを特徴とする半導体集積回路装置。A first MISFET including a gate electrode formed on a main surface of a semiconductor substrate via a gate insulating film and a semiconductor region in contact with a channel region of the main surface of the semiconductor substrate below the gate electrode;
A gate electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film, a low concentration semiconductor region in contact with a channel region of the main surface of the semiconductor substrate below the gate electrode, and provided outside the low concentration semiconductor region A semiconductor integrated circuit device having a second MISFET including a high-concentration semiconductor region,
A cap insulating film is formed on the upper surfaces of the gate electrodes of the first and second MISFETs, and a first sidewall spacer formed of a first insulating film made of a silicon nitride film on the side surfaces of the gate electrodes of the second MISFETs. And a second sidewall spacer formed of a second insulating film made of a silicon oxide film, which covers the first sidewall spacer, is formed on the outside of the gate electrode of the first MISFET. A third sidewall spacer formed of the first insulating film is formed;
First conductor portion, a self-aligned manner with respect to the first of the third sidewall spacer formed of an insulating film for connecting the first 1MISFET member formed on an upper layer of the semiconductor region and the second 1MISFET of Embedded in the connection hole formed by simple etching ,
A second conductor portion connecting the semiconductor region of the second MISFET and a member formed in an upper layer of the second MISFET is formed;
The first conductor part and the second conductor part have different embedded members,
The high-concentration semiconductor region of the second MISFET is formed by ion implantation that is self-aligned with the second sidewall spacer formed of the second insulating film;
The first MISFET is a DRAM selection MISFET disposed in a memory array region of a DRAM cell, and a member formed in an upper layer of the first MISFET is a storage capacitor or a bit line of the DRAM.
The second MISFET is included in a peripheral circuit that drives the DRAM,
The impurity doped in the semiconductor region of the selective MISFET is phosphorus,
The N-channel MISFET of the second MISFET includes a first N-channel MISFET and a second N-channel MISFET, and the first N-channel MISFET is a lightly doped semiconductor region doped with arsenic and arsenic doped The second N-channel MISFET includes a low-concentration semiconductor region doped with phosphorus and a high-concentration semiconductor region doped with arsenic;
The semiconductor integrated circuit device, wherein the first conductor portion is a conductor portion in which polycrystalline silicon is embedded, and the second conductor portion is a conductor portion in which a refractory metal is embedded.
前記第1のNチャネルMISFETは前記低濃度半導体領域の下部の前記高濃度半導体領域に接する領域にボロンがドープされた半導体領域を含み、前記第2のNチャネルMISFETは前記ボロンがドープされた半導体領域を含まないことを特徴とする半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to claim 1 ,
The first N-channel MISFET includes a semiconductor region doped with boron in a region in contact with the high-concentration semiconductor region below the low-concentration semiconductor region, and the second N-channel MISFET is a semiconductor doped with boron. A semiconductor integrated circuit device characterized by not including a region.
前記選択MISFETの半導体領域の表面にはシリサイド層が形成されず、前記第2MISFETの前記高濃度半導体領域の表面にはシリサイド層が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to claim 1 or 2 ,
2. A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein no silicide layer is formed on the surface of the semiconductor region of the selective MISFET, and a silicide layer is formed on the surface of the high-concentration semiconductor region of the second MISFET.
前記選択MISFETのゲート絶縁膜の膜厚は、前記第2MISFETのゲート絶縁膜の膜厚に比較して厚いことを特徴とする半導体集積回路装置。A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, 2 or 3 ,
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a thickness of the gate insulating film of the selection MISFET is larger than a thickness of the gate insulating film of the second MISFET.
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